[发明专利]一种模拟材料气动热烧蚀的实验方法与装置

说明书

本发明属于航空航天技术领域，涉及到一种模拟材料气动热烧蚀的实验方法和装置。该装置利用燃烧反应来生成高温、高压的气体，主要参数可调，使测试段的气流能够模拟指定飞行条件时的气动热和剪切力对材料的作用。其特征是采用燃料和空气在燃烧室中燃烧来生成高温高压气体，并在燃烧室中采取补充空气的方式来调节气流总温，使之与飞行条件一致，最终使用矩形拉瓦尔喷管使模拟气体加速，达到指定的剪切力；测试件安装在喷管下游的测试段侧壁面上。本发明的效果和益处是可提供冷壁热流、壁面剪切力可调的气流，具有准确模拟不同飞行条件下材料气动热烧蚀环境的能力，为超声速飞行器壳体材料气动热烧蚀提供实验条件。

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，涉及到飞行器表面材料在超声速飞行时的气动热烧蚀实验技术，特别涉及到一种可以同时模拟气动热和气动剪切力的方法和装置。

背景技术

飞行器在超声速飞行和高超声速飞行时会受到气动热与气动力的双重作用，当气动热较大时，飞行器表面材料会发生烧蚀。为了研究飞行器表面材料在气动热环境下的烧蚀过程，评估其烧蚀特性，必须在实际飞行前进行气动热环境下材料的烧蚀实验。目前进行此类实验的方法主要有热辐射方法、燃气加热法、高焓风洞直接模拟法。

热辐射加热方法主要是采用热辐射的方式对材料表面进行加热，现在主要用高温石英灯近距离加热表面材料。石英灯辐射加热器热惯性小，加热能力强，电控性能优良，适合于高速变化的瞬态气动加热模拟；但是石英灯辐射加热器受到加热元件和试件结构约束，使加热区内试件表面加热过程与实际飞行条件下的对流换热有所差异，容易导致“过加热”或“欠加热”现象，尤其是材料表面气流静止，不能模拟表面材料受到剪切力作用后的脱落现象，给试验过程引入较大误差。

燃气加热法一般有两种，一种是利用氧乙炔燃烧的火焰垂直于材料表面喷射进行高温烧蚀实验，可以参考国军标GJB 323A-96。这种方法虽然可以达到较大的热流密度，但是一方面燃气流直径较小，只能对试件中心产生较大的热流，另一方面火焰正对试件，通常实验中会在试件表面形成烧蚀凹坑，因此也不能体现气动剪切力对材料烧蚀的作用，只适合于飞行器驻点区域材料的烧蚀试验。另一种燃气加热法是采用燃烧器或者航空发动机燃烧室产生的高温燃气直接吹材料，燃气流的空间范围比氧乙炔火焰要大很多，能够对材料试件形成较均匀的加热，也可以通过辅助以石英灯加热来提高热流密度，但是试件所受气动剪切力较小，一般也是用于驻点区域材料烧蚀研究。

利用高焓风洞直接对材料进行气动热烧蚀模拟是目前最准确的方法。风洞实验时试件结构在风洞中处于静止状态，而由高焓风洞直接产生接近飞行状态的气流，使材料试件表面的气动热环境与剪切力均接近真实情况。但是，高焓风洞的试验成本极高，不利于地面重复试验，同时，高焓风洞实验单次运行时间短，难以实现飞行器长时间工作的气动热环境模拟。

发明内容

本发明提供了一种利用燃烧来生成高温燃气，并通过二维矩形收缩喷管使气流加速，再将材料试件置于与喷管连接的矩形试验段侧壁面的实验方法，使材料表面的热环境和剪切力条件均与实际飞行状态接近，且实验成本低，解决了高焓风洞实验成本高、而其他实验形式难以模拟剪切力的问题。

本发明的技术方案：

一种模拟材料气动热烧蚀的实验装置，整体分为燃烧室3、喷管7和实验段8三部分；

所述的燃烧室3主体为矩形截面燃烧室，包括主燃烧室4和混合段6，两者相通，燃烧室3外部设有冷却水管路；主燃烧室4的前端设有空气喷注器1和燃料喷注器2，空气喷注器1和燃料喷注器2分别连接外部的空气管路和燃料管路，通过调节空气管路和燃料管路的进气流量，控制主燃烧室4前端的燃料与空气的混合比例，以化学当量比混合，保证可靠燃烧并达到理论最高燃烧温度；混合段6和主燃烧室4之间设有补充空气入口5，在燃烧过程中喷入空气，达到与高温燃气混合降温的目的，同时避免影响上游的燃烧；

所述的喷管7与混合段6相通，喷管出口为矩形，喷管逐渐向出口端收缩，收敛角为45°，且出口为起整流作用的平直段，使喷管喷出的燃气方向一致；