多孔介質(zhì)相變發(fā)汗冷卻主動熱防護(hù)試驗(yàn)研究

吳亞東，朱廣生，高 波，蔣 平，寧 雷

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076;2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京100076)

多孔介質(zhì)相變發(fā)汗冷卻主動熱防護(hù)試驗(yàn)研究

吳亞東1，朱廣生2，高 波1，蔣 平1，寧 雷1

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076;2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京100076)

采用液態(tài)水作為冷卻工質(zhì)，通過燒結(jié)成型方式將鈦鋁合金材料制備為多孔介質(zhì)平板，通過高壓氣瓶提供壓力驅(qū)動水從多孔介質(zhì)材料滲出，利用石英燈輻照的方式進(jìn)行了500 kW/m2熱流密度的熱考核，并監(jiān)測了試驗(yàn)過程中的溫度和流量力變化。試驗(yàn)結(jié)果表明:在中等熱流下，利用水的相變發(fā)汗冷卻能夠進(jìn)行有效防熱，材料加熱面溫度始終接近于水的沸點(diǎn)。且在試驗(yàn)過程中監(jiān)測到，在給定水的增壓壓力情況下，隨著時間推移，水的汽化過程逐漸深入多孔介質(zhì)內(nèi)，使得水流量逐漸升高。

主動熱防護(hù);發(fā)汗冷卻;相變;多孔介質(zhì);石英燈

0 引 言

隨著航天技術(shù)進(jìn)步，飛行器以高速在大氣層內(nèi)駐留時間越來越長，飛行器熱環(huán)境由高熱流密度、短加熱時間向中等熱流密度、長加熱時間、大總加熱量轉(zhuǎn)變，這給長期工作在高超聲速主流條件下的飛行器部件的熱防護(hù)設(shè)計(jì)提出新的挑戰(zhàn)。當(dāng)表面防熱材料性能達(dá)到極限時，傳統(tǒng)的被動防隔熱方法難以保證飛行器在長時間內(nèi)工作，需要考慮防熱效率更高的主動熱防護(hù)技術(shù)。同時，通過對飛行器前緣類結(jié)構(gòu)，如頭錐、超薄舵/翼前緣等部位采取主動熱防護(hù)措施，可保持飛行器氣動外形在長時間高熱流密度環(huán)境中不發(fā)生燒蝕。

主動熱防護(hù)中，冷卻效率最高的方式是發(fā)汗冷卻［1－2］，驅(qū)動冷卻劑通過結(jié)構(gòu)表面的多孔材料噴射到熱氣流中，實(shí)現(xiàn)大面積的連續(xù)覆蓋，從而減少進(jìn)入結(jié)構(gòu)的熱流。發(fā)汗冷卻概念雖提出多年，但航天上的工程應(yīng)用局限在液體火箭發(fā)動機(jī)的燃燒室［3－5］。應(yīng)用于飛行器其他部位如主流中頭錐、殼體等部位的發(fā)汗冷卻研究尚處于機(jī)理性研究方面［6－8］，且大多數(shù)研究均采用單相氣體作為發(fā)汗工質(zhì)［9－12］。

相比于氣體冷卻劑而言，液體冷卻劑本身熱容相對較高，同時可以產(chǎn)生巨大的相變潛熱，因此液體相變發(fā)汗冷卻效能要大得多，近十年來，相關(guān)研究陸續(xù)開始涌現(xiàn)，大多數(shù)研究利用陶瓷材料，如Forrest等［13］利用Al2O3和SiO2復(fù)合材料，Remier等［14］利用CMC材料等。陶瓷材料的特點(diǎn)是耐高溫，并且由于顆粒質(zhì)硬，粉末冶金成型較好。但由于飛行器基體骨架都采用金屬材料，一般為鈦合金或者鋁合金，陶瓷材料的連接和熱密封是一個很大的問題。而如果利用金屬材料，與致密的基體直接采用焊接方式連接，便于實(shí)際應(yīng)用。Wang等［15］、Shen等［16］和馬杰等［17］利用不銹鋼及鎳基合金對相變發(fā)汗冷卻的效能進(jìn)行過研究。Liu等［18］和Huang等［19］利用青銅材料，對金屬相變發(fā)汗冷卻在超聲速氣流中的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。劉雙等［20］利用不銹鋼及吸附性高溫氈，對自適應(yīng)相變發(fā)汗冷卻效能進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。在試驗(yàn)方案上，以往研究一般利用小型的電加熱風(fēng)洞，或者大型的兆瓦量級熱流的電弧風(fēng)洞。前者的熱流密度較低，只能從機(jī)理上進(jìn)行研究;后者耗資較大，同時，電弧風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究的優(yōu)勢是能夠表征發(fā)汗冷卻的滲流工質(zhì)與邊界層的干擾，但表面溫度難以通過接觸式測量獲取，僅能通過紅外熱像儀等設(shè)備進(jìn)行非接觸式測量，由于表面液態(tài)水和水汽的干擾，對測量會造成較大的誤差。

本文利用與飛行器致密骨架材質(zhì)相近的鈦鋁合金粉末，通過燒結(jié)成型方式制備了多孔介質(zhì)材料，分析了其滲流特性，并利用石英燈進(jìn)行了500 kW/m2熱流密度下的防熱考核。獲取了不同增壓壓力下多孔介質(zhì)壁面的時變溫度相應(yīng)特征及流量變化，驗(yàn)證了無防熱層的金屬多孔介質(zhì)材料在較長時間、中等熱流下的主動防熱冷卻效果。

1 試驗(yàn)方法

1.1 鈦鋁合金多孔介質(zhì)材料的制備

鈦和鋁是航天常用的金屬材料，具有密度小、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。直接選用常用金屬進(jìn)行多孔介質(zhì)材料的制備，可以在使用中與致密的金屬基體通過焊接等方式連接，為后續(xù)工程應(yīng)用提供有利條件。多孔介質(zhì)材料的制備選用粒徑在50～80 μm的鈦粉和鋁粉顆粒，混合后均勻球磨，計(jì)算好對應(yīng)孔隙率所需要的壓力和保壓時間，先在常溫下冷壓初成型，再在高溫下熱壓使得粉末晶體燒結(jié)生長，最后進(jìn)行機(jī)械加工成型。具體制備流程如表1所示。

表1 多孔介質(zhì)材料制備過程Table 1 Preparation of porous material

為便于裝配密封，制備好的材料通過線切割加工成臺階狀圓形平板，上表面直徑為64 mm。通過試驗(yàn)件質(zhì)量和體積計(jì)算，可得出其孔隙率。本試驗(yàn)材料孔隙率在 23%。圖 1給出了其掃描電鏡(Scanning electron microscope，SEM)照片。從掃描電鏡圖像來看，TiAl合金材料粒徑在3～8 m左右，可以看到較為明顯的孔隙。

實(shí)際進(jìn)行加熱考核時利用黃銅蓋板和不銹鋼壓力倉將多孔材料固定，在壓力倉和多孔板接觸面用硅橡膠密封圈密封。背板熱電偶、測壓管通過預(yù)留孔導(dǎo)出，并通過硅橡膠墊片變形壓緊密封。

1.2 熱考核試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

試驗(yàn)系統(tǒng)采用氬氣瓶提供高壓氣體，通過二級減壓閥調(diào)節(jié)進(jìn)入水罐的壓力，水先后通過過濾器、節(jié)流閥、質(zhì)量流量計(jì)，最終進(jìn)入試驗(yàn)工裝。系統(tǒng)如圖2所示。

試驗(yàn)利用石英燈輻射加熱，試驗(yàn)前，通過戈登計(jì)標(biāo)定試驗(yàn)熱流，達(dá)到需要的考核熱流值500kW/m2，隨后將考核材料置于石英燈下相同位置，將水罐中裝入去離子水，打開氣瓶閥門，調(diào)節(jié)減壓閥達(dá)到指定壓力，再打開節(jié)流閥，水填滿壓力倉后即從多孔介質(zhì)中滲出。

在多孔介質(zhì)板正面和背面各焊接K型熱電偶，同時工裝引出測壓管測量腔內(nèi)壓力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 多孔介質(zhì)液體滲流特性

為檢驗(yàn)本試驗(yàn)多孔材料滲流的有效性，改變增壓輸水系統(tǒng)的給定壓力，通過質(zhì)量流量計(jì)讀取穩(wěn)定后的質(zhì)量流量數(shù)值，從而得到了多孔介質(zhì)滲流流量隨壓差變化關(guān)系，如圖3所示。

從圖3可以看出，質(zhì)量流量與上下表面壓差基本是線性相關(guān)的。多孔介質(zhì)單相流動的滲流特性已有眾多領(lǐng)域的學(xué)者進(jìn)行研究。當(dāng)流體內(nèi)部流速極低，流動處于層流時，材料滲流特性一般采用Darcy定律描述［21］:

式(1)表明流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流量和進(jìn)出壁面的壓力差是呈線性關(guān)系的。而當(dāng)流速增大，滲透率不僅依賴于流體黏性，還依賴于流體運(yùn)動的慣性阻力，此時，壓降與速度呈二次方關(guān)系，即Dupuit-Forchheimer方程［21］:

式中:ρ為流體密度，cF稱為Forchheimer系數(shù)。

式中:lc為多孔介質(zhì)材料的特征長度，一般取為材料燒結(jié)成的顆粒的平均直徑。

從質(zhì)量流量計(jì)讀出飽和去離子水密度 ρ為1.009 g/cm3;水的動力黏度μ按上下表面壓力中值的工況計(jì)，取為2×10－4N·s·m－2。從SEM圖中可見，多孔介質(zhì)材料的粒徑在3～8 μm變化，此處計(jì)算時以5 μm作為平均粒徑值。而平均流速v可由密度ρ、質(zhì)量流量和平板截面積A得出。以上下表面壓力差為0.5 MPa為例，此時質(zhì)量流量為0.42 g/s，流速 v為0.13 mm/s，則雷諾數(shù) Re為0.00328，Re＜＜1，符合低速流下的Darcy定律，即出流面積一定時，壓降與速度成正比關(guān)系。將質(zhì)量流量換算成流體流速，壁面壓差換算成單位長度壓力梯度，進(jìn)行線性擬合，如圖4所示，得到材料的Darcy滲透率為3.4×10－16m－2。

2.2 發(fā)汗冷卻防熱效能

通過減壓閥調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓力，在定壓情況下水開始滲流。石英燈輻照加熱后，水發(fā)汗?jié)B流出表面急劇沸騰相變，通過熱電偶讀出多孔介質(zhì)板正面和背面的溫度。圖5給出了兩次不同增壓壓力和加熱時間時，多孔介質(zhì)材料壁面溫度隨考核時間變化的曲線。

從圖5可以看出，正對著石英燈加熱的外壁面溫度始終在100℃上下波動，防熱考核效果非常良好，但波動幅度較大。在相變發(fā)汗冷卻壁面，存在著水的液相－氣相相變過程，固體壁面分別和氣、液相的熱交換過程，是一個多相耦合的復(fù)雜傳熱過程。而對于固體壁面，由于石英燈加熱溫度迅速升高，而與液態(tài)水及水汽的熱交換又導(dǎo)致溫度下降，外壁面熱電偶讀數(shù)的上下波動反映了這一時變的劇烈熱傳遞過程。而內(nèi)壁面由于多孔材料自身傳熱及水的對流換熱，溫度也隨著加熱時間而升高，但升高速度較慢，波動相對平緩得多。

同時，從上壁面溫度波動特征看，存在著明顯的周期性，周期時間大約在20 s，如圖 5所示。而圖5(b)的溫度波動范圍明顯要比圖5(a)大很多，對比試驗(yàn)工況，圖5(b)的增壓壓力為0.5 MPa，為圖5(a)的一半左右，可見，盡管此時防熱效果依然良好，但由于水流量小，壁面和水的換熱更為劇烈，波動范圍更大。

為檢驗(yàn)防熱效能，關(guān)閉節(jié)流閥，停止發(fā)汗冷卻，在相同加熱條件下進(jìn)行試驗(yàn)，圖6給出了此時的外壁面溫度上升與有發(fā)汗冷卻時的對比圖，其中有發(fā)汗冷卻時，水的增壓壓力為0.5 MPa。當(dāng)停止供水后進(jìn)行熱考核，50 s后外壁面溫度即升高至600℃，為避免試驗(yàn)材料損壞，停止考核。相比而言，相變發(fā)汗冷卻時壁溫始終在水的沸點(diǎn)上下波動，防熱效能明顯。

模型巖土體采用實(shí)體單元，采用修正摩爾-庫侖本構(gòu)模型，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)本工程勘察報告提供的參數(shù)選取，如表1所示。

2.3 相變發(fā)汗冷卻流量變化

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在給定氣瓶增壓壓力時，加熱過程中水的流量會發(fā)生變化。圖7給出了500 kW/m2石英燈加熱熱流下，增壓壓力分別為0.8 MPa和0.4 MPa時，熱考核過程中的流量隨時間變化對比圖。

從圖7可以看出，在給定水的增壓壓力時，一旦進(jìn)行熱考核，其流量并非不變的。事實(shí)上，由于氣態(tài)水和液態(tài)水的黏度不同，其滲流有很大差別，氣態(tài)水的滲流特性要強(qiáng)得多。一旦多孔介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生相變，其內(nèi)部包含了氣液兩相的滲流過程，流量也隨之變化。圖中可以明顯看出流量上升的三個階段。在0～23 s時，流量基本保持不變，此時水的相變基本保持在上壁面。而在23 s時，流量突然發(fā)生階躍，這證明隨著上壁面充分達(dá)到水的沸點(diǎn)溫度，相變轉(zhuǎn)移到了多孔介質(zhì)內(nèi)部。而隨后流量緩慢增加，直至基本平衡，這是一個沸騰界面逐漸下移的過程。等流量基本平衡時，證明沸騰界面基本到達(dá)下壁面附近。對比1 MPa和0.5 MPa壓力下的最終流量，可看出基本是成線性關(guān)系的。

2.4 試驗(yàn)系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)度分析

試驗(yàn)中采用了戈登計(jì)，K型熱電偶，科氏力質(zhì)量流量計(jì)，壓力傳感器等儀器設(shè)備對各個參數(shù)進(jìn)行測量。由于儀器的精度限制，不可避免使得測量值存在一定的不確定度。各儀器設(shè)備的量程和精度列于表2。

表2 所用儀器及其精度Table 2 Instruments and their precision

由表2可知，K型熱電偶測溫均在量程范圍之內(nèi)，上下壁面溫度的最大絕對誤差為:

由于上壁面溫度始終在100℃波動，上壁面溫度的最大相對誤差有

下壁面溫度的最大相對誤差與不同增壓條件下水的物理性質(zhì)有關(guān)，增壓壓力0.8 MPa時，水的沸點(diǎn)為168℃，則此時下壁面最大相對誤差

增壓壓力0.4 MPa時，水的沸點(diǎn)為142℃，此時下壁面最大相對誤差

本試驗(yàn)最為關(guān)心的是上下壁面的溫度變化，直接反映了冷卻效能。為校驗(yàn)溫度測量的準(zhǔn)度，對上下壁面布置不同溫度測點(diǎn)，如圖8所示。測點(diǎn)1～3布置在上表面圓心至邊緣1/3處，且測點(diǎn)1和2對稱布置。為便于比較壁面?zhèn)鳠崆闆r，測點(diǎn)4和5布置在下壁面正對于測點(diǎn)1和2的位置。在0.5 MPa增壓壓力，500 kW/m2石英燈加熱熱流下，比較不同測點(diǎn)溫度變化差異。

上壁面的三個測點(diǎn)溫度隨時間的變化如圖9所示。從圖9可以看出，溫度波動值為水的沸點(diǎn)，證明不同測點(diǎn)位置的冷卻效能基本一致，且變化的周期性非常明顯。但測點(diǎn)2位置的波動范圍較其它兩個點(diǎn)大。這與多孔介質(zhì)材料的孔隙分布不完全均勻有關(guān)。

下壁面的三個測點(diǎn)溫度隨時間的變化如圖10所示。結(jié)合圖9可見，在水未達(dá)到沸點(diǎn)，即圖9的前20 s時間，下壁面的兩個測點(diǎn)溫度增長一致，兩曲線基本重合。但當(dāng)上壁面水達(dá)到沸點(diǎn)，在多孔介質(zhì)內(nèi)部水開始沸騰之后，兩個位置的壁面溫度開始出現(xiàn)差異。這與不同位置空隙滲流特性有關(guān)。滲流特性較好，則背板壁面溫度上升連續(xù)，如測點(diǎn)5位置。若滲流特性稍差，如測點(diǎn)4位置，則開始溫度上升較慢，但當(dāng)?shù)竭_(dá)增壓壓力0.5 MPa對應(yīng)的水的沸點(diǎn)(150℃)時，相變區(qū)域已經(jīng)下移至背板附近，溫度則開始階躍，迅速上升，與測點(diǎn)5曲線又開始重合，直至趨于沸點(diǎn)溫度平緩。

2.5 相變發(fā)汗冷卻防熱的理論預(yù)估

水作為冷卻工質(zhì)，其吸熱主要包括自身溫升吸熱和水的相變潛熱。以此對用水流量進(jìn)行估算，有

式中:q為多孔介質(zhì)上壁面承受的熱流密度，本試驗(yàn)中為500 kW/m2;C為水的定壓比熱容，1atm下C=4196 J/kg·K;Hvap為水的汽化潛熱，1atm下Hvap=2260 kJ/kg;η為相變發(fā)汗冷卻的冷卻效率。以100%效率計(jì)算，需要水的質(zhì)量流量m·為0.62 g/s，基本與試驗(yàn)所測得流量一個量級。而圖7表明，在給定壓力情況下，由于氣相水的滲流速度非常快，實(shí)際最終流量要超出不少，實(shí)際是用水量的浪費(fèi)。

3 結(jié) 論

本文對鈦鋁合金金屬多孔介質(zhì)材料，利用水作為冷卻工質(zhì)，通過石英燈熱考核的方案，驗(yàn)證了其在500 kW/m2熱流下，相變發(fā)汗冷卻的防熱有效性，主要結(jié)論如下:

1)通過多次重復(fù)試驗(yàn)考核，材料外壁面溫度始終在水的沸點(diǎn)上下波動，對比無主動冷卻情況，其防熱效果良好，驗(yàn)證了在中等熱流密度的熱環(huán)境中，通過相變發(fā)汗冷卻手段，直接采用金屬材料作為飛行器外壁而不噴涂防熱層，單從熱防護(hù)的角度來看是可行的。

2)在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)在給定水的增壓輸送壓力時，當(dāng)熱考核壁面相變后，水的質(zhì)量流量會逐漸增加，對比不同增壓工況，其流量增加趨勢都基本相似，在加熱持續(xù)至25 s后，其流量會有一個階躍，如增壓 0.8 MPa壓力時流量由 0.7 g/s攀增至1.3 g/s，增壓0.4 MPa壓力時由0.2 g/s攀增至0.5 g/s。這表明了壁面受熱后，水在多孔介質(zhì)內(nèi)滲流由單相變?yōu)閮上嗔骱蟮臐B流特性的改變。隨著水的相變深入，由于氣相水的滲流速度非常快，導(dǎo)致同樣增壓時流量的增大。

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通信地址:北京9200信箱10分箱10號(100076)

電話:(010)68381991

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朱廣生(1963－)，男，博士，研究員，主要從事飛行器總體設(shè)計(jì)。本文通信作者。

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(編輯:牛苗苗)

An Experimental Study on the Phase-Changed Transpiration Cooling for Active Thermal Protection

WU Ya-dong1，ZHU Guang-sheng2，GAO Bo1，JIANG Ping1，NING Lei1
(1.Beijing Institute of Astronautical System Engineering，Beijing 100076，China; 2.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China)

In this paper，the cooling performance using liquid water as the phase-changed coolant is studied.An alloy of titanium and aluminium is sintered into porous material，and heated up under quartz lamps with a heat flux of 500 kW/ m2，the time-varied data of temperature and molar flux are collected during the experiment.The result shows that the phasechanged transpiration cooling has a high performance in medium heat flux，and the wall temperature under quartz lamps is undulating upon the boiling point of water.At the same time，the water flux increases since the start of the experiment because of the gradual penetrating process of the phase-changing interface inside the porous material.

Active thermal protection;Transpiration cooling;Phase change;Porous material;Quartz lamps

V435.14

A

1000-1328(2017)02-0212-07

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.02.014

吳亞東(1989－)，男，博士生，主要從事高超聲速飛行器熱防護(hù)研究。

2016-07-05;

2016-12-06

國家自然科學(xué)基金(11372054)