发动机气瓶热防护产品绝热性能评定研究

刘建方 胡坚勇 孙慧娟 李明伟

(1.北京航天动力研究所,北京 100076； 2.哈尔滨工业大学, 哈尔滨 150001)

发动机气瓶热防护产品绝热性能评定研究

刘建方1胡坚勇1孙慧娟1李明伟2

(1.北京航天动力研究所,北京 100076； 2.哈尔滨工业大学, 哈尔滨 150001)

通过批抽检热真空试验，能够评定发动机气瓶热防护产品的绝热性能，由于试验设备和试验工艺过程对产品温升会产生巨大影响，依据绝热材料导热系数测试方法，在试验方法不变的条件下，提出新的试验评定要求：稳态过程中产品温升速率。新的产品测试评定要求，能够客观准确的评定产品的隔热性能，排除设备和工艺过程对评定结果的影响。此评定方法也可用于形状不规则、厚度不一致的整件产品绝热性能评定。 关键词 复合结构 热防护 绝热性能 产品测试

1 引 言

发动机上的高压气瓶贮存着火箭低温液体发动机的吹除和控制气体，在火箭飞行过程中通过两位三通电磁阀的通断来实现气瓶向发动机供应吹除和控制气体。早期高压气瓶使用金属材料制成，其中应用最多的是钛合金，TC4钛合金球形气瓶已经非常成熟。某型发动机的钛合金气瓶在火箭飞行过程中承受着多个系统造成的综合热环境影响，热环境产生剧烈加热作用，使气瓶的温度快速升高。气瓶温度升高会导致气瓶抗拉强度降低和气瓶内气体的压力升高，从而会导致气瓶的安全系数和可靠性降低，给飞行带来巨大隐患。为了减少发动机飞行热环境对气瓶的影响，研制了柔性轻质多层复合结构气瓶热防护层，包覆气瓶，通过仿真计算分析和试验验证，热防护层能够保证将气瓶温度控制在气瓶使用温度范围内，提高气瓶安全可靠性，保障飞行安全。

为了保证产品可靠性，在产品的生产交付过程中制定了批产品热真空抽检试验要求。试验方法为：在真空条件下，气瓶包覆热防护层产品后，在防护层和气瓶的外侧分别设置温度侧点，真空条件下通过加热使防护层外侧测点温度至少达到500℃，保持一定时间，通过内侧测点测量气瓶壳体温升判定产品的综合绝热能力。测试过程中发现内侧测点温升受到测试过程中外侧(0～500)℃温升时间影响比较大，试验过程中(0～500)℃温升时间长短严重影响测试结果，而温升时间受设备的加热能力制约，不能保证测试的一致性，在试验过程中温升时间存在较大散差，为了更准确测试复合结构气瓶热防护层的综合绝热性能，排除测试设备和测试工艺过程对测试性能影响，需研究其它性能评定方法来客观准确评定产品的绝热性能。

2 气瓶热防护层产品

钛合金气瓶热防护层产品是由中间层低热导材料和两侧高反射率材料间隔复合而成多层复合结构热防护层，复合结构热防护层共分为5层(如图1所示)，由外及内分别为单层石英纤维布、单层铝箔、柔性隔热毡、单层铝箔和单层石英纤维布，五层材料通过石英纤维线缝合而成。为了装配需要，在使用过程中由复合材料隔热层制作而成的三件隔热片，分别为上半球左侧，上半球右侧，下半球，通过三件复合结构热防护层贴合在气瓶外侧完全包覆气瓶，此种设计能够保证复合材料隔热层完全包覆气瓶外壁，且装配方便。气瓶热防护层产品能够隔绝对流传热和辐射传热，实现对气瓶的有效热防护。

3 气瓶热防护层性能测试方法

一般来说，采用试验方法确定材料导热系数的方法主要分为两大类：稳态法和非稳态法。稳态法是在加热侧和散热侧达到热流平衡状态，产品内部形成稳定的温度分布后进行测量。稳态法测量准确，测量过程时间长。非稳态法则是指产品内的温度分布是随着时间变化而变化的非稳态温度场。非稳态法测量准确度差，测量过程时间短。

3.1 气瓶热防护层性能测试

常规绝热材料的导热系数测量方法很多，主要原理如图2所示。测量过程中取一定面积、形状规则、表面平整、厚度均匀的绝热材料，在绝热材料的高温侧加热源，低温侧加冷源，达到热平衡后，绝热材料内部形成稳定的温度梯度，通过绝热材料两测温度Th和Tl、低温侧传热量和绝热材料的形外形参数即可计算出绝热材料导热系数。该测量方法属于稳态法[1]，测量准确度高。

气瓶热防护层产品使用多种原材料，采用多层复合结构，并且最后通过装配形成整件热防护产品，由于气瓶热防护层产品自身结构的厚度差别和外形特殊性，不能直接采用导热系数的稳态测试方法，为了达到快速准确测试产品绝热性能，初期采用了非稳态法测量方法。

钛合金气瓶热防护层为五层结构，研制初期完成了发动机级热真空试验，依据试验结果，制定了产品批抽检试验要求。为了保证测试和使用条件的一致性，要求在真空条件下测试，测试过程真空度达到7×10-3Pa，气瓶在包覆热防护层后，在防护层的外侧设置温度侧点(T1)，在气瓶的内侧设置温度侧点(T2)，通过加热使外侧温度测点温度至少达到500℃以上，保持一定时间，通过气瓶的内侧测点(T2)测量气瓶温升判定产品的综合绝热能力。试验的主要设备为ECM真空高压气淬炉(如图3所示)，该设备主要技术指标：

炉膛工作尺寸：1000mm×600mm×600mm

工作真空度：2×10-3Pa

最高工作温度：1350℃

该设备工作真空度最高能达到2×10-3Pa, 最高工作温度1350℃,能够充分满足试验的真空度和温度要求。在试验过程中气瓶在包覆热防护层后放入炉内支撑板上。

钛合金气瓶热防护层产品抽检测试过程中，防护层的最外侧和最内侧分别设置温度侧点，分别为外侧测点(T1)和内测测点(T2)，外侧测点测量钛合金气瓶热防护层外表面温度，内侧测点测量钛合金气瓶壳体温度，由于钛合金气瓶热防护层内表面与钛合金气瓶贴合，内侧测点测量温度也等于热防护层内表面温度。通过加热作用使外侧温度测点温度至少达到500℃以上，保持一定时间，通过内侧测点测量气瓶温升判定热防护产品的综合绝热能力。试验过程试验产品布置如图4所示。

在传统思想中，国内播音主持人应具备标准且流利的普通话，这是播音工作的基本要求。但是，在实际工作当中，很多播音主持带有浓重的口音，如东北腔、港台腔等标志都极为明显，甚至一些小的地方广播电台会选择使用地方语言进行节目录制。除此之外，播报方式也发生了许多改变，曲解了生动、幽默的本意，过多地将播音的内容变得生活化、口语化。

两次试验的试验结果如图5所示。对试验结果分析，在第一次试验过程中气瓶壳体初始温度为17.9℃，防护层外侧通过239s加热达到500℃，如图5中A点所示，气瓶壳体温度为17.5℃，加热一段时间后温度轻微降低原因可能是在高真空下材料内部水分或其它物质逐渐挥发，物质的挥发带走部分热量，而此时加热产生的热量还未通过防护层传导给气瓶壳体，所以呈现出气瓶壳体温度不升反降的现象，加热1 360s后所示热防护层达到热流稳定状态，气瓶壳体温度为24.7℃，如图5中D点所示；在第二次试验过程中气瓶壳体初始温度为22.7℃，防护层外侧通过580s加热达到500℃，如图5中B点所示，气瓶壳体温度为21.9℃，到1 510s时，热防护层达到热流稳定，气瓶壳体温度为30.1℃，如图5中C点所示。详细数据见表1。

在两次试验过程中，初期加热T2有微小温度波动过程，随着加热过程持续，气瓶壳体温度逐渐升高，达到某一状态点后，即稳态点，气瓶壳体温度变化与时间变化开始成线性关系，即气瓶的温度变化率恒定，证明通过热防护层的热流密度稳定。由数据分析可知，在加热和保温过程中，加热过程气瓶壳体升温小，保温过程温升大。

试验代号时间(s)气瓶壳体温度T1=500℃热流稳定试验结束试验初始T1=500℃热流稳定试验结束保温过程温升(℃)test12501360225017．917．524．641．524test25901510256022．721．930．15937．1

3.2 气瓶热防护层性能测试局限性

由于在气瓶热防护层性能测试过程中防护层内外均装有温度测点，通过理论分析能够计算热防护层的传热量。温度梯度、导热介质的导热系数和传热量三者之间的关系由傅里叶定律[2]给出，导热量计算公式如式(1)所示

(1)

气瓶通过防护层的传热温度升高，吸收的热量可通过式(2)计算

(2)

热防护层为非金属低密度绝热材料，比热容与金属近似，而瓶体的质量远大于防护层的质量，因此热防护层热容远小瓶体热容。达到稳态后气瓶防护层单位时间内吸收的热量恒定，即热流密度恒定。可近似认为通过热防护层的热量等于气瓶吸收的热量，即防护层不吸热，热平衡计算如式(3)所示。

(3)

在上式中由于防护层内外层温度差别很大，可近似认为测试过程中温度梯度为定值，因此热防护层的导热系数与气瓶温度变化率成线性关系。由于热防护层产品与单独的热防护层差别很大，在装配过程中依据装配的需要，产品有重叠，不同位置厚度差别很大，产品型面不规则，温度梯度不能准确计算出来，所以也无法准确计算出综合导热系数。但是通过上述理论分析，能够通过气瓶壳体温度变化率定量评定整件热防护层的绝热性能。

4 气瓶热防护层性能评定

通过两次试验，第一次试验测定数据符合批抽检要求，而第二次试验结束时T2温度达到59℃，T1温度达到500℃时T2温度为21.9℃；试验结束时T2超要求上限值2.1℃，第二次试验达到稳态点后气瓶壳体温度变化率为0.027 5℃/s，而第一次试验温度变化率为0.019℃/s，由此可知，第二次试验材料的综合导热率超过第一次试验材料的综合导热率，第二次试验产品的综合隔热性能劣于第一次试验产品的综合隔热性能。第二次试验过程中材料热流稳定后，温度变化拟合线为CE(如图6所示)，最高点温度为E点，而要求温度上限为F点，连接CF，如果第二次试验稳定后升温拟合线为CF，则测试合格，CF线的温度变化率为0.025 5℃/s，所以通过对试验结果的分析，可以采用热流稳定后的温度变化率为产品性能评价指标，而本次试验过程中气瓶壳体温度达到而略超温度测量要求上限，通过升温线拟合线计算上限，可接受产品温度变化率上限为0.025 5℃/s，取两位有效数据，温度变化率上限为0.025℃/s。

5 结束语

常规绝热材料的绝热性能评定方法比较成熟，而对绝热产品的绝热性能量化评定难度很大。通过理论分析和热真空试验研究，热流稳态过程中的瓶体温度随时间的变化率能够客观准确的反映产品的绝热性能，能够作为发动机气瓶热防护层产品的绝热性能的量化评价方法，该评定方法能够排除设备的加温能力和测试工艺过程的影响，也可用于其它形状不规则、厚度不一致的整件产品绝热性能评定。

[1] 陈鹏伟.非导热材料导热系数测量方法研究[D].西安:西安理工大学，2011：11～12．

[2] 赵镇南.传热学[M].北京：高等教育出版社，2002：17～17．

The Evaluating Research on Heat-insulating Property of ThermalProtection Products Used on the Engine′s Gas Cylinders

LIU Jian-fang1HU Jian-yong1SUN Hui-juan1Li Ming-wei2

(1.Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100076, China； 2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001, China)

The heat insulating property of thermal protection products used on the engine′s gas cylinders is evaluated through sampling test under thermal vacuum environment. The product temperature rise which is evaluation requirement is affected seriously by the equipment and engineering process. According to the test method in the heat conductivity coefficient of the insulation material, temperature rising rate as a novel test requirement of evaluating the property of the products is acquired under the same testing process. This method can evaluate heat-insulating property accurately and objectively, and it can eliminate the interference factors in the equipment and engineering process. The heat insulating property of out-of-shape thermal protection products with non-uniform thickness also can be evaluated by the method.

Composite structure Thermal protection Heat-insulating property Product test

2016-08-23，

2016-12-06

刘建方(1980-)，男，工程师，主要研究方向：发动机总体设计。

1000-7202(2017) 02-0026-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.06

V434+.3

A