一种低压高温下热防护材料的温度与工质逸出速率耦合测量系统

本发明涉及飞行器热防护材料性能测试，具体涉及一种低压高温下热防护材料的温度与工质逸出速率耦合测量系统。

背景技术：

1、热防护材料广泛应用于高超声速飞行器及再入飞行器的热防护系统。飞行器在高速飞行和再入大气层过程中，其外表面通常处于低气压、高温及高热流密度等复杂气动热环境中，并承受严酷的气动加热作用。热防护结构能够阻隔外部气动热向机体内部传递，维持飞行器气动外形和结构完整性，降低舱内结构及设备的热负荷，从而保障飞行器在复杂热环境下的安全飞行和正常工作。

2、部分热防护材料除依靠较低的热扩散系数阻隔外部热流外，还伴随有工质逸出现象。例如，纳米多孔隔热材料在低气压高温环境下，其内部所含工质可发生相变并吸收热量，从而抑制材料温度升高，工质逸出速率可用于表征该类材料的相变吸热能力。烧蚀材料是另一类典型热防护材料，其可通过热解和烧蚀反应吸收热量，反应产生的热解气体还可通过对流换热、质量喷射及引射效应影响材料表面及内部的热传递过程。对于此类存在工质逸出的热防护材料，材料背面温度与工质逸出速率均随时间、环境压力、加热强度以及加热面倾角等因素变化，二者之间存在相互关联，是评价材料隔热性能、热响应特性以及开展飞行器热防护结构设计的重要参数。

3、目前，热防护材料工质逸出速率可通过热重分析等方法获得，即测量材料在受热过程中的质量变化，并由此获得失重速率或相关热解参数。然而，常规热重分析所用样品尺寸通常较小，样品质量多为毫克量级，难以充分表征热防护复合材料的宏观热响应特征。同时，热防护材料多为复合材料，且通常具有各向异性和多尺度结构特征，需采用具有一定平面尺寸和厚度的试验件，才能更合理地反映其工程应用状态下的隔热性能和工质逸出行为。此外，常规热重分析试验条件与飞行器实际服役过程中的低气压、高温和长时间热载荷环境仍存在差异，难以直接满足飞行器热防护材料地面热考核试验需求。

4、在实际飞行过程中，飞行器表面所处气压会随飞行高度和弹道历程发生变化；在地面热考核试验中，需要根据飞行器典型飞行过程对应的压力历程，对试验件周围低气压环境进行动态调控。对于存在工质逸出的热防护材料，不同材料体系、加热条件、环境压力和加热面倾角条件下的工质逸出速率存在差异，逸出工质还会对试验件周围压力场产生扰动。因此，若缺少响应及时、控制精度较高的动态压力调控方法，则难以在加热过程中稳定复现随时间变化的低气压飞行环境，也难以准确获得低压高温条件下材料背面温度与工质逸出速率的对应关系。同时，飞行器表面不同部位的热防护材料可能具有不同安装姿态。材料加热面相对于重力方向的倾角变化，会影响材料内部工质的熔融、渗流、相变、热解气体排出以及质量迁移过程，进而影响材料的背面温度响应和工质逸出速率。因此，在低压高温环境下开展加热面倾角可变条件下的热防护材料背面温度与工质逸出速率耦合测量，对于材料性能评价、热防护结构设计和地面热考核试验具有重要意义。

5、综上，现有技术已经分别在低气压防热性能测试、烧蚀材料热解产气与失重测试等方面开展了研究，但仍缺少一种面向工程尺度热防护材料试验件，能够在低压高温环境下实现加热面倾角可变，并同步获取材料背面温度和工质逸出速率的耦合测量装置。为满足飞行器热防护结构设计、材料筛选及地面热考核试验的需求，亟需提出一种低压高温条件下加热面倾角可变的热防护材料背面温度与工质逸出速率耦合测量装置。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中的缺点，本发明的目的在于提供一种低压高温下热防护材料的温度与工质逸出速率耦合测量系统，解决了现有技术中热防护材料在低压高温热环境下难以兼顾加热面倾角调节、动态压力调控以及温度与质量变化同步测量，进而难以分析材料背面温度与工质逸出速率耦合关系的问题。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种低压高温下热防护材料的温度与工质逸出速率耦合测量系统，包括低气压舱1、门车机构2、抽气模块3、加热模块4、试验件称重模块5、可调角度平台6、试验件工装模块7、测控模块8及水冷模块9；

4、所述低气压舱1用于提供低气压试验空间，包括舱体11；

5、所述门车机构2包括舱门23和复合驱动组件，复合驱动组件驱动舱门23旋转至预设角度后，驱动舱门23平移以实现与舱体11开合；

6、所述抽气模块3与舱体11连通，用于实时调节舱体11内的气压；

7、所述加热模块4用于加热试验件71以形成高温热环境，包括设置在舱门23内壁上的辐射加热器44；

8、所述试验件称重模块5位于舱体11内，用于实时检测试验件71质量；

9、所述可调角度平台6装配于试验件称重模块5上，用于调节试验件71的受热面角度，以使试验件71受热面与辐射加热器44加热面相互平行；

10、所述试验件工装模块7装配于可调角度平台6上，用于固定放置试验件71；

11、所述测控模块8分别与低气压舱1、抽气模块3、加热模块4、试验件称重模块5和试验件工装模块7上的检测元件电连接，用于采集低气压舱1内的压力数据、试验件71的温度、热流和质量数据，并根据质量-时间数据得到工质逸出速率；并控制加热模块4的加热过程以及抽气模块3的抽气过程，以维持低气压舱1内的低压高温环境；

12、所述水冷模块9用于冷却低气压舱1、门车机构2、抽气模块3、加热模块4和试验件称重模块5中的冷却部位。

13、所述舱体11的开口端设置有可与舱体11的密封槽适配的密封圈15；所述舱体11上均匀布设有多个锁紧机构16，用于将舱体11与舱门23锁紧；所述低气压舱1上的检测元件包括设置在舱体11顶部的真空规管14，真空规管14的信号输出端与测控模块8的信号输入端连接；所述水冷模块9供水出口分别与舱体11和舱门23的供水进口连通，舱体11和舱门23的回水出口均与水冷模块9回水进口连通。

14、所述复合驱动组件包括轴承支座29，所述舱门23的旋转轴通过轴承22安装在轴承支座29上，轴承支座29固定安装在轨道平车21上，轨道平车21与导向轨道210滑动连接，导向轨道210延伸至舱体11处。

15、所述舱门23内壁通过两个悬臂梁24与加热模块4连接，加热模块4包括与悬臂梁24固定连接的加热模块安装架41，加热模块安装架41底部与加热模块固定架42固定连接，加热模块固定架42底部安装有加热器水冷板43，加热器水冷板43底部安装有辐射加热器44，辐射加热器44通过贯穿舱门23的真空电极25与测控模块8电连接，通过测控模块8向辐射加热器44供电；所述水冷模块9供水出口与加热器水冷板43供水进口连通，加热器水冷板43回水出口与水冷模块9回水进口连通。

16、所述试验件称重模块5包括设置在舱体11内部的称重传感器底座51，称重传感器底座51上设置有环形结构的称重传感器水冷板53；所述试验件称重模块5的检测元件包括设置在称重传感器底座51上的称重传感器52，称重传感器52位于称重传感器水冷板53内；所述称重传感器52的信号输出端与测控模块8的信号输入端连接；所述水冷模块9供水出口与称重传感器水冷板53供水进口连通，称重传感器水冷板53回水出口与水冷模块9回水进口连通。

17、所述称重传感器52的隔热秤盘54上设置隔热垫块55，用于垫高可调角度平台6。

18、所述试验件工装模块7包括装配于可调角度平台6上的隔热垫板75，隔热垫板75上设置有试验件隔热框72，试验件隔热框72内固定放置有试验件71；所述试验件工装模块7包括设置在试验件隔热框72上且靠近试验件71侧的热流计73，以及分别设置在试验件71的受热面和背面的温度传感器74，热流计73和温度传感器74的信号输出端均与测控模块8的信号输入端连接。

19、所述抽气模块3包括与舱体11连通的真空管路31，真空管路31上依次设置有电磁阀32、电磁蝶阀36、罗茨泵37、旋片泵38；所述旋片泵38和罗茨泵37串联用于对低气压舱1进行抽气；电磁阀32和电磁蝶阀36的信号输入端以及罗茨泵37和旋片泵38的启停信号输入端，均与测控模块8的信号输出端连接，用于控制所述低气压舱1内的气压以及调节抽气速率；所述水冷模块9供水出口分别与罗茨泵37和旋片泵38的供水进口连通，罗茨泵37和旋片泵38的回水出口均与水冷模块9回水进口连通。

20、所述测控模块8包括数据采集模块81、加热控制柜82、舱内压力控制柜83、上位机84；所述数据采集模块81用于接收质量信号和背面温度信号；舱内压力控制柜83用于接收压力信号；加热控制柜82用于接收热流信号或受热面温度信号；所述数据采集模块81、加热控制柜82、舱内压力控制柜83的数据传输至上位机84进行同步存储和处理；所述舱内压力控制柜83用于根据压力信号控制抽气模块3的抽气过程；所述加热控制柜82用于根据热流信号或受热面温度信号控制加热模块4的加热过程。

21、所述水冷模块9包括水冷机组91，水冷机组91供水出口通过冷却水出水管道92与舱外分水器94的主供水进口连通，舱外分水器94的各分支供水出口分别与低气压舱1、门车机构2、抽气模块3、加热模块4和试验件称重模块5的冷却部位供水进口连通；低气压舱1、门车机构2、抽气模块3、加热模块4和试验件称重模块5的冷却部位回水出口均通过冷却水回水管道95与水冷机组91回水进口连通。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

23、本发明通过低气压舱、抽气模块和测控模块配合，可在试验过程中按预设压力历程复现低气压环境；通过将加热模块固定设置在门车机构上，旋转门车机构的舱门即可同步设置加热模块的加热角度，同时将试验件工装模块固定在可调角度平台上，通过对可调角度平台的角度调节，实现在0～90°范围内调节加热面倾角并保持加热模块与试验件的相对关系稳定；通过温度传感器、热流计和称重传感器的同步采集，可在同一低压高温工况下获得试验件的温度响应、质量变化和工质逸出速率，用于分析热防护材料温度与工质逸出行为的耦合关系；通过水冷模块对舱体、舱门、加热模块、称重模块和抽气模块进行冷却，可提高长时间高温低压试验的稳定性和安全性。