[發(fā)明專利]高超聲速飛行器材料1800度有氧環(huán)境下單側(cè)面高溫試驗(yàn)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210380586.X
• 申請(qǐng)日: 2012-10-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102879423A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳大方;潘兵;劉華;楊嘉陵;高鎮(zhèn)同
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N25/20
• 分類號(hào): G01N25/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 成金玉;賈玉忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高超聲速飛行器材料1800度有氧環(huán)境下單側(cè)面高溫試驗(yàn)裝置。特別是在模擬高馬赫數(shù)導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)的輻射加熱時(shí)，能夠復(fù)現(xiàn)真實(shí)的有氧條件下高超聲速飛行器的單側(cè)面飛行熱環(huán)境，獲得高超聲速飛行器材料在極端氧化高溫環(huán)境下的隔熱特性等性能參數(shù)。為研制高速航天航空器提供重要的熱試驗(yàn)測(cè)試手段。

背景技術(shù)

由于高超聲速飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)全球遠(yuǎn)距離快速到達(dá)，實(shí)施有效的高空高速突防及快速精確打擊，因此具有極為重要的應(yīng)用價(jià)值和戰(zhàn)略意義，高超聲速飛行器已經(jīng)成為當(dāng)今世界各主要航天航空大國(guó)研究的熱點(diǎn)。

隨著高超聲速飛行器設(shè)計(jì)飛行速度大幅度提高，由氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的高溫?zé)岘h(huán)境變得極為嚴(yán)酷。由文獻(xiàn)記載美國(guó)航天飛機(jī)穿越大氣層時(shí)各部位的溫度分布知，機(jī)翼、機(jī)體、垂尾等大部分區(qū)域的溫度在750℃~1500℃之間，飛行器前錐端部和進(jìn)氣道等部位甚至?xí)霈F(xiàn)1800℃的高溫區(qū)。如此極端惡劣的高溫?zé)岘h(huán)境，使得高超聲速飛行器材料和結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)和熱強(qiáng)度問(wèn)題成為事關(guān)研制成敗的關(guān)鍵問(wèn)題。

高馬赫數(shù)飛行時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重氣動(dòng)加熱所產(chǎn)生的高溫，會(huì)顯著降低高超聲速飛行器材料的強(qiáng)度極限和飛行器結(jié)構(gòu)的承載能力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱變形，破壞部件的氣動(dòng)外形并影響飛行器結(jié)構(gòu)的安全性能。為保證高速飛行器的安全，確認(rèn)飛行器的材料和結(jié)構(gòu)是否能經(jīng)得起高速飛行時(shí)所產(chǎn)生的熱沖擊及高溫?zé)釕?yīng)力破壞，須對(duì)高超聲速飛行器材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的氣動(dòng)熱環(huán)境模擬試驗(yàn)。模擬飛行材料和結(jié)構(gòu)在高速飛行時(shí)的真實(shí)受熱狀況，分析試驗(yàn)過(guò)程中飛行器各部分的熱應(yīng)力、熱變形、結(jié)構(gòu)膨脹量等高溫力學(xué)性能參數(shù)的變化對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，以及在高溫下的承載能力、使用壽命以及安全可靠性，該項(xiàng)工作對(duì)于高超聲速飛行器的熱防護(hù)與安全設(shè)計(jì)具有非常重要的實(shí)際意義。

在大于1500℃溫度環(huán)境下的高溫試驗(yàn)比較困難（如鎳基不銹鋼的熔點(diǎn)為1450℃，1500℃時(shí)已熔化），極端高溫試驗(yàn)往往需要在真空或惰性氣體全封閉條件下進(jìn)行，而該種試驗(yàn)環(huán)境與飛行時(shí)的有氧熱環(huán)境條件不一致。另外，使用真空設(shè)備做高溫試驗(yàn)試驗(yàn)裝置非常復(fù)雜，試驗(yàn)成本昂貴，且試驗(yàn)尺寸受到限制。

國(guó)家自然科學(xué)基金委2012年最新發(fā)布的“近空間飛行器的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題”重大研究計(jì)劃項(xiàng)目指南中提出，要“發(fā)展測(cè)量與表征耐1500℃以上的各種新型超高溫材料與結(jié)構(gòu)的力－變形曲線以及力/熱/氧化關(guān)鍵參量和性能，提升極端高溫氧化環(huán)境下超高溫材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)的創(chuàng)新能力。”

高超聲速飛行器在大氣層中飛行時(shí)，外表面與空氣（單側(cè)面）的摩擦產(chǎn)生極高的溫度，該溫度相當(dāng)于單側(cè)面加熱狀態(tài)。因此需要模擬飛行過(guò)程中飛行器外表面的單側(cè)面氣動(dòng)加熱環(huán)境，以檢驗(yàn)和測(cè)試防熱材料和防熱結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)性能。上述單側(cè)面熱試驗(yàn)中防熱材料和防熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件需要有熱面和冷面的區(qū)別，因此不能將防熱材料和防熱結(jié)構(gòu)整體放在高溫加熱爐中加熱。

目前高超聲速飛行器設(shè)計(jì)部門極為希望在高達(dá)1800℃的極端高溫有氧環(huán)境下，對(duì)高馬赫數(shù)飛行器防熱材料和防熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行單側(cè)面高溫加熱性能試驗(yàn)測(cè)試。為此設(shè)計(jì)了一種高超聲速飛行器材料1800℃有氧環(huán)境下單側(cè)面高溫試驗(yàn)裝置。為飛行速度更快的高超聲速飛行器和高速導(dǎo)彈的研制提供必要的熱試驗(yàn)手段。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高超聲速飛行器材料1800℃有氧環(huán)境下單側(cè)面高溫試驗(yàn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)有氧環(huán)境中高超聲速飛行器耐高溫材料隔熱試件的單側(cè)面飛行熱環(huán)境，獲得高超聲速飛行器材料在極端有氧高溫環(huán)境下的隔熱特性參數(shù)。為研制高速航天航空器提供重要的試驗(yàn)手段。