碳纤维增强类复合材料烧蚀产物对等离子体流场特性影响的实验研究

2020-03-05袁野王丽燕曹占伟聂春生聂亮马昊军

兵工学报 2020年2期

袁野，王丽燕，曹占伟，聂春生，聂亮，马昊军

(1.中国运载火箭技术研究院空间物理重点实验室，北京 100076；2.中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，四川绵阳 621000)

0 引言

飞行器以极高速度在大气层内飞行过程中，强烈的气动加热作用会使周围大气产生极高的温度，为使飞行器内部温度保持在允许范围内，必须采用主动或被动热防护技术。通过飞行器外表面材料在高温下烧蚀，从而减少气动加热的烧蚀冷却技术，是一种广泛采用的飞行器被动式防热方法[1]。

飞行器表面防热材料在强烈气动加热导致的烧蚀过程中，表面高温气体存在强烈的振动、离解和电离，从而形成一个包裹飞行器的等离子体鞘层[2-3]。由于该鞘层中含有极多的自由电子，电磁信号在穿过其中时会产生强烈的衰减和失真[4]，从而引发通信中断，即“黑障”问题[5]。同时，烧蚀产物引射到气体边界层中[6]，对流场的电离度、组分、焓值等特性产生进一步影响，使“黑障”现象更加复杂化。随着近年来各种新型防热材料的问世，针对其烧蚀过程及烧蚀产物开展研究具有重要意义。作为广泛用于各类新型防热材料和防热结构的高温烧蚀材料，碳纤维增强类复合材料包括碳/碳、碳/酚醛、碳/碳化锆等[7-8]，国内外针对其烧蚀行为以及造成的影响开展了大量研究。

通过数值模拟的方法，文献[9-15]研究了多种防热材料在不同烧蚀条件下的热解气体流率、烧蚀量等烧蚀特性及其对流场热化学参数、电子数密度等特性的影响规律，研究表明烧蚀产物引射到边界层中，对于下游区域的流场影响显著，且随着飞行高度的增加，该影响范围[16]逐渐扩大。

当涉及到新型防热材料时，材料物性、化学反应机理等信息尚未完备，对氧化、相变、燃烧等过程的理解有待深入，因此难以构建准确的计算模型以开展数值模拟研究，此时，实验研究不可或缺。近年来，随着风洞技术的发展和测量手段的进步，相关实验研究在甲烷风洞[17]、电弧风洞[18]以及等离子体风洞[19-20]各等类风洞设施上广泛开展，进行了针对各类碳纤维增强类复合材料烧蚀行为的研究。上述工作尽管加深了对烧蚀材料氧化失效、微观结构等特性的认识，但在研究不同新型烧蚀防热材料的过程中，仍值得通过实验进一步研究其烧蚀产物对下游流场特性的影响规律。

为分析高速等离子体流场中碳纤维增强类复合材料烧蚀行为对下游流场特性的影响规律，本文利用高频等离子体风洞结合朗缪尔探针和柱塞量热计的测量手段，研究了碳/碳和碳/碳化锆两种复合材料在不同烧蚀条件下对下游流场电离度等特性的影响。

1 实验方法

1.1 实验设备

高频等离子体风洞采用高频感应加热方式对气体进行加热，可以产生纯净的感应耦合等离子体高焓气流，有效消除气流污染对流场中电子数密度分布的影响，是开展防热材料烧蚀产物实验研究的理想设备[21]，本文实验在中国空气动力研究与发展中心高频等离子体风洞上开展，风洞布局示意图如图1所示，其主性能指标为：电源功率1 000 kW；振荡频率440 kHz；气流焓值5～50 MJ/kg；驻点压力3～30 kPa；最大运行时间50 min.

图1 高频等离子体风洞布局示意图Fig.1 Schematic diagram of high frequency plasma wind tunnel

为了获得不同压力条件下的实验结果，在分别采用直径80 mm喷管和直径120 mm喷管2个实验状态下，将试样材料放置在石英管中进行烧蚀。

实验中将碳/碳和碳/碳化锆材料加工为长度80～100 mm、直径20 mm的圆棒，采用水冷支撑从等离子体发生器尾部将其伸入石英管中流场核心区域进行烧蚀。将试样首尾相接，通过调整圆棒的个数实现同一实验状态下不同的质量烧蚀速率，获得材料在不同质量烧蚀速率条件下喷管出口等离子体射流的流场特性测试结果。对于直径为80 mm和120 mm的喷管，实验时保持来流流量不变，出口速度分别约为180 m/s和80 m/s. 同时，为尽量减少因试样个数不同对石英管中流场的影响，实验通过调整水冷支撑的伸入长度，使不同车次中石英管中的固体长度和位置保持一致，试样照片如图2所示，试样在石英管中的布置如图3所示。采用天平测量实验前后试样材料的质量，结合烧蚀时间，可得到每次实验的平均质量烧蚀速率。

图2 烧蚀材料Fig.2 Ablative material

图3 试样在石英管中的布置Fig.3 Setting of sample in quartz tube

1.2 测量方法

1.2.1 电子数密度

本文采用朗缪尔探针法测量流场电子数密度。朗缪尔探针法是一种方法成熟、应用广泛的接触式诊断方法[21-22]，采用一个或几个插入等离子体中的“面积小得可以忽略”的导电电极(通常是细金属丝、金属小球或金属圆盘，分别称为圆柱探针、球探针和平面探针)，通过测量等离子体流场中探针的伏安特性得到等离子体参数[23]。具体原理如下：

如果探针是孤立绝缘的，则由于电子的平均热运动速度远大于离子的热运动速度，开始时单位时间内打在探针表面上的电子数远大于离子数，探针表面逐渐积累起负电荷，使探针相对于其附近未被扰动的等离子体电位(即空间电位)差值为负值。该负电位差将排斥电子，吸引离子，在探针表面附近空间形成一个正的空间电荷层(亦称离子鞘层)。这个空间电荷层逐渐增厚，直到最后在单位时间内到达探针表面的电子和离子数目达到平衡为止。这时探针表面的总电流为零，其表面的负电位将不再改变，此时负电位称为悬浮电位Vs. 当外加偏置电源使探针相对于空间电位的电位差不等于悬浮电位Vs时，就会有电流通过探针。实验测量探针电流随偏置电压Vb的变化，就可以得到朗缪尔探针伏安特性曲线，由此可得电子温度。在此基础上引入离子在鞘层边界的平均速度(玻姆速度)，并考虑等离子体电子数密度与鞘层边界电子数密度的关系[24-26]，最终探针附近流场的电子数密度Ne(cm-3)可由(1)式计算：

(1)

式中：Ii0为离子饱和电流(A)；Ai为柱状探针侧面积(m2)；e为元电荷，e=1.6×10-19C；kTe为电子温度(eV)；mi为离子质量，mi≈4.98×10-26kg(对于本文实验可近似取NO+质量)。

本文实验所用钼丝朗缪尔探针如图4所示，其中探针有效部分的直径为1 mm、长度为15 mm.

图4 朗缪尔探针照片Fig.4 Photograph of Langmuir probe

1.2.2 驻点热流

对于流场驻点热流，采用直径为50 mm的平头柱塞量热计进行测量，其热流qc(W/m2)[27]可表示为

qc=ρcpl(ΔT/Δτ)，

(2)

式中：ρ为柱塞材料密度，ρ=8.93×103kg/m3；cp为柱塞温升期间的平均比热容，cp=3.86×102J/(kg·K)；l为柱塞长度，l=8×10-3m；ΔT为测得的柱塞温升(K)；Δτ为温升所用时间(s)。

为了在测量电子数密度的同时获得烧蚀流场的驻点热流，将热流探头与静电探针同时放置在测试支架上(见图5)。实验中，送进系统动作2次，先后将静电探针和热流探头快速送至射流中心距出口80 mm处并短暂停留，得到静电探针伏安特性曲线和柱塞量热计的温升响应曲线。

图5 热流测试支架与静电探针Fig.5 Heat flux test support and electrostatic probe

1.3 流场条件

本文采用直径分别为120 mm喷管和80 mm喷管，在两种实验状态下，分别对碳/碳和碳/碳化锆材料烧蚀后下游流场中的电子数密度和驻点热流进行测量，实验空气来流状态如表1所示。通过测量来流状态1和状态2下的结果，可以获得来流能量增大或减小时烧蚀流场特性的变化规律。

表1 实验空气来流状态Tab.1 Flow states of test air

2 结果分析

实验过程中，通过高频感应加热方式将石英管中的空气加热至上万开尔文，空气被充分电离形成等离子体，经混合室后，下游流场的温度为4 000～6 000 K，仍处于热电离状态。

典型实验状态下(碳/碳化锆材料- 来流状态1)，流场中测得的伏安特性曲线如图6所示。由图6可知：随着流场上游烧蚀材料的增多，离子饱和区中(曲线左侧平直段)，离子饱和电流逐渐增大；过渡区中(曲线中部线性上升段)，伏安特性曲线斜率逐渐降低，流场电子温度逐渐降低；电子饱和区中(曲线右侧缓慢上升段)，电子饱和电流逐渐增大。伏安特性总体变化规律表明此时流场中的电子数密度有明显降低。

图6 典型实验状态下伏安特性Fig.6 I-V characteristics in typical experimental condition

不同数量的碳/碳和碳/碳化锆材料在两种来流状态下烧蚀，对下游流场特性的影响结果如表2所示。由表2中的数据可知：材料的烧蚀量越大，下游流场中的电子数密度和驻点热流越小，表明实验所用两种材料烧蚀后均能显著降低下游来流的能量，在实际飞行器的应用中有利于减轻下游壁面材料的热负荷，提升下游通信窗口的透波性能。

以纯空气流场电子数密度结果为基准，两种材料在不同烧蚀率下的流场相对电子数密度如图7所示。

对于碳/碳材料，随着烧蚀率由0 g/s上升至0.08～0.09 g/s，状态1和状态2的流场中电子数密度分别降低至无烧蚀状态下的36.7%和16.7%.

对于碳/碳化锆材料，随着烧蚀率由0 g/s上升至0.07～0.09 g/s，状态1和状态2的流场中电子数密度分别降低至无烧蚀状态下的18.3%和10.0%.