熱沖擊載荷下一種熱防護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能試驗研究

趙旭升，張肖肖，楊志斌，叢琳華

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

高速飛行中的飛行器，因空氣摩擦使得飛行器壁面溫度升高，而飛行器表面的高溫必然傳至機(jī)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，致使機(jī)體內(nèi)部溫度超過結(jié)構(gòu)材料的溫度耐受極限，導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)失去承載能力，引起重大事故。所以，高速飛行器在其表面都包含防熱結(jié)構(gòu)(TPS：Thermal Protection System)。

高速飛行器的TPS安裝在高超聲速飛行器表面，具有隔熱承載能力，以保護(hù)飛行器的防護(hù)系統(tǒng)。國外TPS的研究起步遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于我國，已成功研制出了以陶瓷隔熱瓦為主的第一代TPS和以金屬防熱面板為主的第二代TPS，以及現(xiàn)正在研制的耐高溫復(fù)合材料面板TPS[1，2]。

本文以石英陶瓷為研究對象，在石英陶瓷與結(jié)構(gòu)底面板之間增設(shè)空氣隔熱，采用試驗方法探討這種熱防護(hù)組合結(jié)構(gòu)在典型熱沖擊試驗下的隔熱性能，為設(shè)計出一種高效的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)提供試驗支持。

2 試驗實施過程

2.1 試驗件支持

試驗件為陶瓷板(厚度d1)與底板(厚度d3)組合而成，其中底板為氣凝膠材質(zhì)，長度和寬度均為200mm。在陶瓷板與底板之間采用隔熱墊隔離出厚度為d2的空氣層，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 試驗件結(jié)構(gòu)示意圖

試驗工裝利用底板材料模擬絕熱的封閉腔，腔體通過旋緊裝置對試驗件進(jìn)行壓緊,工裝底板水平置于支持架上。試驗件通過4個頂桿置于封閉腔內(nèi)[3]。試驗安裝形式如圖2所示。

圖2 試驗安裝形式示意圖

2.2 試驗載荷

共設(shè)置兩種試驗熱載荷，分別為瞬態(tài)熱沖擊載荷與穩(wěn)態(tài)熱沖擊載荷。載荷曲線如圖3所示，其中，溫載1為瞬態(tài)溫度曲線，最大加熱時間316s，在24s到達(dá)最高溫度1200℃；溫載2為穩(wěn)態(tài)溫度曲線，從常溫(35℃)上升到1000℃歷時20s，之后保持1000℃至300s結(jié)束。

圖3 試驗載荷

2.3 試驗工況

試驗件外表面陶瓷板的厚度d1為固定值6mm，試驗件底板厚度有3種，分別為8mm、12mm和20mm?？諝鈱雍穸纫卜譃?種，分別為0mm(即沒有空氣間隔，陶瓷板與底板完全相貼)、20mm和40mm，總共有9種工況，如表1所示。每種工況對圖3所示溫度載荷進(jìn)行遍歷。

表1 試驗工況

2.4 試驗測量

試驗過程中對溫度進(jìn)行測量，在陶瓷板外表面中心位置設(shè)置控溫點，在氣凝膠底板下表面設(shè)置5個測溫點，測溫點布置在中間60mm×60mm范圍內(nèi)，測點布置圖如圖4所示。

圖4 氣凝膠底板測點位置分布示意圖

2.5 試驗載荷加載順序

對于9種工況進(jìn)行下述試驗過程：

(1)按圖3溫載1曲線對工況i(i表示工況號，i=1～9，下同)施加熱載荷進(jìn)行試驗，同時進(jìn)行底面溫度測量，試驗結(jié)束。

(2)按圖3溫載2曲線對工況i施加熱載荷進(jìn)行試驗，同時進(jìn)行底面溫度測量，試驗結(jié)束。

3 試驗結(jié)果

為減小測量誤差對試驗結(jié)果的影響，分別對氣凝膠底板5個測溫點的測溫數(shù)據(jù)取均值。各測溫點數(shù)據(jù)均取自試驗結(jié)束時刻。

3.1 工況1～工況3試驗結(jié)果

工況1～工況3試驗中，氣凝膠底板厚度均為8mm。試驗過程中施加不同溫載曲線，并調(diào)整空氣層厚度。溫載1試驗結(jié)果如表2及圖5所示，溫載2試驗結(jié)果如表3及圖6所示。由圖5、圖6可以看出，相同的試驗加熱曲線下，底板測溫點的升溫趨勢一致。在溫載1加熱條件下，每20mm空氣層可有效降低8mm厚氣凝膠底板溫度約20℃。在溫載2加熱條件下，每20mm空氣層則可降低8mm厚氣凝膠底板溫度40～50℃。

表2 溫載1各空氣層厚度下底板測溫點溫度變化表

圖5 溫載1各空氣層厚度下底板測溫點溫度響應(yīng)曲線

表3 溫載2各空氣層厚度下底板測溫點溫度變化表

圖6 溫載2各空氣層厚度下底板測溫點溫度響應(yīng)曲線

3.2 工況4～工況6試驗結(jié)果

工況4～工況6試驗中，氣凝膠底板厚度均為12mm。試驗過程中施加不同溫載曲線，并調(diào)整空氣層厚度。溫載1試驗結(jié)果如表4及圖7所示，溫載2試驗結(jié)果如表5及圖8所示。由圖7、圖8可以看出，相同試驗加熱曲線下，底板測溫點的升溫趨勢一致。在溫載1加熱條件下，每20mm空氣層可有效降低12mm厚氣凝膠底板溫度11℃～12℃。在溫載2加熱條件下，每20mm空氣層則可降低12mm厚氣凝膠底板溫度12℃～14℃。

表4 溫載1各空氣層厚度下底板測溫點溫度變化表

圖7 溫載1各空氣層厚度下底板測溫點溫度響應(yīng)曲線

表5 溫載2各空氣層厚度下底板測溫點溫度變化表

圖8 溫載2各空氣層厚度下底板測溫點溫度響應(yīng)曲線

3.3 工況7～工況9試驗結(jié)果

工況7～工況9試驗中，氣凝膠底板厚度均為20mm。試驗過程中施加不同溫載曲線，并調(diào)整空氣層厚度。溫載1試驗結(jié)果如表6及圖9所示，溫載2試驗結(jié)果如表7及圖10所示。由圖9、圖10可以看出，相同試驗加熱曲線下，底板測溫點的升溫趨勢一致。在溫載1加熱條件下，每20mm空氣層可有效降低20mm厚氣凝膠底板溫度3℃～4℃。在溫載2加熱條件下，每20mm空氣層則可降低20mm厚氣凝膠底板溫度約5℃。

圖9 溫載1各空氣層厚度下底板測溫點溫度響應(yīng)曲線

表7 溫載2各空氣層厚度下底板測溫點溫度變化表

圖10 溫載2各空氣層厚度下底板測溫點溫度響應(yīng)曲線

3.4 試驗結(jié)果分析

對表2-表7以及圖5-圖10的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出，無論是對于典型的瞬態(tài)加熱過程(溫載1)，還是穩(wěn)態(tài)加熱過程(溫載2)，空氣夾層均可對隔熱樣件的隔熱性能產(chǎn)生明顯影響。

隔熱樣件所承受的加熱量越大，加熱溫度越高，空氣層厚度對于底板溫升的抑制越顯著，隔熱樣件隔熱性能越出色。

其次，空氣層厚度與溫升的降低成比例關(guān)系：對于8mm氣凝膠底板，在溫載1加熱條件下，每20mm空氣層可有效降低底板溫度約20℃，在溫載2加熱條件下，每20mm空氣層則可降低底板溫度40～50℃；對于12mm氣凝膠底板，在溫載1加熱條件下，每20mm空氣層可有效降低底板溫度11℃～12℃，在溫載2加熱條件下，每20mm空氣層則可降低底板溫度12℃～14℃；對于20mm氣凝膠底板，在溫載1加熱條件下，每20mm空氣層可有效降低底板溫度3℃～4℃；在溫載2加熱條件下，每20mm空氣層則可降低底板溫度約5℃。

底板厚度對隔熱效果也有一定影響，底板厚度越厚，其內(nèi)表面溫度越低。

4 結(jié) 論

試驗結(jié)果表明，在石英陶瓷與結(jié)構(gòu)底面板之間增設(shè)空氣層能夠達(dá)到隔熱效果，尤其是在表面高溫載荷作用下，其隔熱效果更加明顯。

空氣層厚度與氣凝膠底板溫升的降低成正比例關(guān)系。隔熱樣件表面熱載荷越嚴(yán)酷，單位厚度的空氣層降低溫升越顯著。底板厚度越大，單位空氣層厚度對于其溫升的抑制越低。