【摘 要】
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烧蚀型防热材料在航天器再入返回过程中,通过表面烧蚀带走大量热量,从而避免过高的热量进入航天器内部。烧蚀后退速率是评价烧蚀型防热材料防热性能的关键指标。目前确定材料烧蚀后退速率主要是通过测量烧蚀后退量计算平均烧蚀后退速率,而不能实时地测量材料的烧蚀后退速率,因此必要发展一种原位测量烧蚀后退速率的方法。本文基于断线式烧蚀后退速率测量原理,设计了一种原位测量新型低密度烧蚀防热材料烧蚀后退速率的传感器,通
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烧蚀型防热材料在航天器再入返回过程中,通过表面烧蚀带走大量热量,从而避免过高的热量进入航天器内部。烧蚀后退速率是评价烧蚀型防热材料防热性能的关键指标。目前确定材料烧蚀后退速率主要是通过测量烧蚀后退量计算平均烧蚀后退速率,而不能实时地测量材料的烧蚀后退速率,因此必要发展一种原位测量烧蚀后退速率的方法。本文基于断线式烧蚀后退速率测量原理,设计了一种原位测量新型低密度烧蚀防热材料烧蚀后退速率的传感器,通过氧-乙炔烧蚀试验对测量方法进行验证,进而采用有限元方法结合动网格技术分析了材料的表面后退及体积烧蚀行为。首先,基于断线式烧蚀后退速率测量原理,结合新型低密度烧蚀防热材料特点,确定了传感器设计指标。对传感器的芯体、外套、外壳和底座进行了结构设计,确定了各部件的材料、几何尺寸和结构装配方案,并制备了传感器样件。然后,设计了新型低密度烧蚀防热材料的氧-乙炔驻点烧蚀试验试件,采用1.5MW/m2、2.3MW/m2和3.4 MW/m2三种热流条件对材料进行烧蚀试验,并采用断线式烧蚀后退速率传感器对材料的烧蚀后退率进行测量。通过烧蚀试验得到了三组测量数据,计算了三种热流条件下材料的烧蚀后退速率,给出了烧蚀后退速率随热流的变化规律,验证了断线式烧蚀后退速率传感器测量的有效性。最后,建立了新型低密度烧蚀防热材料的热化学烧蚀模型,利用COMSOL Multiphysics有限元软件得到了材料的温度响应,并与试验测试温度进行了比较,结果表明两者的温度响应规律是一致的,峰值温度最小误差为4.1%。该计算模型结合动网格技术考虑了烧蚀后退速率的影响,将试验中通过函数拟合所得的烧蚀后退速率对计算模型进行了修正,使烧蚀模型输出的各测温点的温度历程结果与试验更接近。
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