模拟Chelyabinsk 小行星进入的烧蚀实验1)

罗 跃 王 磊 党雷宁 刘进博 张 军 柳 森

(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)

引言

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一，在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性[1-2].开展小行星进入地球大气烧蚀机理研究，有助于更好地理解小行星进入地球大气的烧蚀现象，可为解体爆炸、进入轨迹和光辐射研究奠定基础，支撑建立小行星防御地面风险评估系统[3].

近十年来，随着行星防御研究的开展以及人类空间探测活动的深入，空气动力学方面的研究者们开始注重小行星材料烧蚀问题的研究，这些工作都是基于半个多世纪以来在航天飞行器热防护材料烧蚀研究中建立的理论和设备而开展[4-11]，存在极高速进入热环境、天然材质烧蚀机理、不稳定热结构等诸多问题亟待探索.目前，国外机构主要依靠激光加热、电弧(高焓等离子体)风洞两类设备在这方面开展初步实验研究[12-19](图1).以NASA 的Ames 研究中心为代表，基于小行星威胁评估计划项目(ATAP)，从2014 年开始在LHMEL设备上开展陨石激光烧蚀实验研究[13]，相比于Milley[12]，其设备能量和测试仪器都有较大提升，表面热流达到150 MW/m2.分析结果显示，激光烧蚀实验中石陨石材料损失以汽化蒸发为主，而玄武岩材料以熔融物溅射为主.随后的激光烧蚀/低速剪切联合实验得到了不同辐射热流、不同剪切力对烧蚀光谱信号影响的定性结论，其实验数据提供给ATAP 以研究数值计算方法.2016 年及2017 年，烧蚀实验在60 MW 电弧风洞上开展，试件材料包括石陨石(Tamdakht)、铁陨石(Campo Del Ceilo)、玄武岩及石英，调试了驻点热流40 MW/m2、驻点压力140 kPa，总焓20 MJ/kg 的来流条件，模拟直径30 m 的陨石在65 km 高空以20 km/s 速度飞行时的热环境.陨石材料均在5 s 时间内完全烧尽，没有残留实验后的模型，但记录了重要的动态过程影像.基于实验结果分析，Ames 认为小行星材料的烧蚀主要包含蒸发、熔融和机械剥蚀等机理，估算有效烧蚀焓为2 MJ/kg，初步数值计算与测量的发射谱线有明显偏差，部分原因可能是缺少熔化模型[14].

图1 国外开展的陨石材料烧蚀实验研究[18]Fig.1 Ablation Experiments of meteorite abroad[18]

国内之前尚未开展小行星材料烧蚀机理研究.为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象，中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所首次开展了模拟小行星进入的烧蚀实验研究，在电弧加热设备平台上构建Chelyabinsk 小行星极高速进入地球大气层的典型气动加热环境，针对玄武岩和碳钢实验件进行烧蚀测试，测量了烧蚀动态过程、气体发射光谱、实时外形变化、表面温度变化等数据.

1 实验方法

1.1 实验方案和测量设备

该项实验在中国空气动力研究与发展中心的20 MW 片式电弧加热器上采用自由射流驻点烧蚀的方法[20-21]进行，电弧加热器产生的高温气体经喷管加速形成高焓高速气流，对实验模型前端面冲击加热，通过调整加热器状态参数模拟小行星极高速进入大气层时的驻点热流、压力、焓值，研究材料的烧蚀特性，实验和测试方法示意见图2.

高清摄像机用于记录流场结构和局部材料瞬时变化过程，比色高温计通过获取材料双波段辐射信号测量模型前端温度，红外摄像仪用于获取模型表面温度分布，光栅光谱仪通过聚焦透镜和光纤探头测量流场中的发射光谱，基于结构光的视觉系统在线实时测量模型纵截面轮廓变化.

图2 实验和测试方法示意图Fig.2 Diagram of experimental set-up

实验后的参数测量主要包括烧蚀外形、表面形态、烧蚀产物成分：利用三维激光扫描仪测量烧后模型三维外形及尺寸，通过对比原始外形获取总的质量损失；扫描电镜能谱仪(SEM/EDS)通过捕捉材料的二次电子和X 射线连续谱，获得烧蚀模型表面材料化学成分，测试仪器配置见表1 所示.

表1 测试仪器配置_______Table 1 Measurement instrument

1.2 实验状态和模型

材料驻点烧蚀特性地面考核实验通常模拟试件的驻点热流、焓值以复现烧蚀过程[22]，根据公开发表已观测到的Chelyabinsk 小行星进入大气层轨迹[23](图3)，结合现有电弧风洞能力(焓值小于30 MJ/kg，功率小于50 MW)，此次实验模拟Chelyabinsk 小行星在5.6 km/s 的速度下，在17 km 高度解体为1 m 直径后的驻点热流和焓值分别为25 MW/m2和16 MJ/kg.

图3 Chelyabinsk 小行星进入轨迹[23]Fig.3 Entry trajectory of Chelyabinsk asteroid[23]

实验模型材质为玄武岩和碳钢，分别模拟石质陨石和铁陨石，外形尺寸根据来流条件和需模拟的参数而设计(图4)，头部半径为20 mm，半锥角9°.模型底部加工内螺纹孔，与支座连接，由快速送进系统控制试件进、出高温射流区，以确保在稳定的流场中烧蚀4 s 时间，图4 中黑色圆圈为比色高温计和光谱仪聚焦测量点.

喷管出口尺寸为φ42 mm，出口名义马赫数1.8，前段弧室总压0.56 MPa，气流总焓16 MJ/kg.焓值由总压流量法计算[20]，波后驻点压力和热流分别采用总压探针和零点量热计测量，流场结构如图5 所示.

图4 实验模型尺寸及照片Fig.4 Model dimentions and image

图5 流场结构示意Fig.5 Flow field structure diagram

2 验结果及分析

2.1 烧蚀过程及形貌

碳钢模型烧蚀时自发光过于饱和，摄像机没有记录到较为清晰的烧蚀过程.但通过模型刚退出流场一半时刻的视频截图(图6)，能够观察到模型烧蚀的两个明显特征：整个视场大量火花飞溅、熔液在球、锥相切线堆积.模型烧蚀后(图7)锥体氧化为褐黑色，表面无明显烧蚀痕迹和产物堆积；头部端面光亮平滑，熔融物凝固堆积在球、锥相切线位置，与图6 特征对应，头部熔化的钢水在高压气流作用下被不断剥离，表层来不及氧化，因而呈光亮银白色，与锥面形成鲜明对比.碳钢头部熔化为钢水后，一部分向后流动并驻留在球、锥相切线位置，一部分在气流冲击和剪切作用下溅射成微小液滴并被气流带走，从而表现为图6 中的大量火花，后者也是碳钢烧蚀质量损失的主要机制.利用激光三维扫描仪对烧蚀后的模型外形进行了测量，如图8 所示，头部曲率半径为45 mm，远大于初始的20 mm，顶点后退13.1 mm，烧蚀质量为72.7 g.

图6 碳钢烧蚀结束时刻视频截图Fig.6 Image of carbon steel at the end of ablation

图7 碳钢烧蚀前后外貌Fig.7 Pre-and post-test image of carbon steel

图8 碳钢烧蚀后三维轮廓Fig.8 Recession profile for carbon steel

图9 为玄武岩烧蚀过程视频截图.可以看出，玄武岩试件刚进入流场时(0 s)前端就被融化，相对于钢水来说，玄武岩熔融物黏性较大，并没有形成大量细小液珠溅射，而是受剪切向后流动.随着烧蚀进行，熔融层逐渐覆盖整个球头并向锥身流动.球头驻点持续后退，外形不断变化，在1.5 s 及3 s 时刻均有明显片状物剥落现象，在烧蚀结束时刻(4 s)熔融层已覆盖整个锥身，且表面明显可见由于不均匀剥落造成的凹坑.烧蚀后的玄武岩(图10)近似双锥外形，越靠近底部熔融层凝固覆盖现象越明显，表面多处大小不一的块状崩裂痕迹，且在底部已有较深的贯穿性裂纹.局部照片(图11)可见部分熔融液滴被蒸发喷射气体冲破，较厚的熔融层表面形成密集气孔.由此可见，在实验条件下，玄武岩烧蚀质量损失以熔融物剪切流失为主，并伴随少量块状剥落及蒸发喷射.通过测量，玄武岩试件顶点后退7.3 mm，烧蚀质量为37.9 g.

图9 玄武岩烧蚀过程视频截图Fig.9 Image of ablated basalt at different time

图10 玄武岩烧蚀前后外貌Fig.10 Pre-and post-test image of basalt

图11 玄武岩烧蚀后局部外貌Fig.11 Local detals of basalt after ablation

2.2 表面温度

高温计采用德国IMPAC 公司的ISR12-LO M33 比色高温计，测试波段分别为0.8 μm 和1.05 μm，量程为1000°C～3300°C，通过获取双波段辐射信号计算图4 中球、锥相切线聚焦点(约φ8 mm)的温度，因此不受测量窗口透射率的影响，在其测量波段受高温空气辐射影响也较小(高温空气在0.9～3.2 μm 范围辐射能量仅占5.9%).热像仪采用德国INFRA 公司的ImageIR 8300 hp，测试波段为2～5.7 μm，参考NASA 的试验[14]设置碳钢和玄武岩的发射率为0.4 和0.8，但其实际发射率受窗口衰减和温度变化并不能确定.图12 和图13 显示了碳钢和玄武岩的比色高温计所测聚焦点温度、热像仪所测试件驻点温度以及从热图中提取的聚焦点平均温度的历程变化.碳钢的驻点位置在开始0.5 s 内快速升温，并基本稳定在约1500°C，热像仪所测聚焦点温度经历约1.6 s 时间上升后基本稳定在约1600°C，并在结束前0.5 s 时刻快速下降，显示了随着材料焼蚀后退，φ8 mm 测温点的移动过程：上升阶段是从低温区移向前端高温区，稳定阶段是在高温区范围内，下降阶段是部分移出试件表面.比色高温计和热像仪所测聚焦点温度均高于驻点温度，与温度分布热图相符，且远高于熔点1300°C.玄武岩驻点温升速度明显大于碳钢，由于焼蚀后退量较小，聚焦点温度没有出现类似碳钢的后段快速下降现象，在稳定阶段驻点温度和聚焦点温度相近，约为1900°C，同样远高于熔点980°C～1200°C[24].比色高温计的测量数据均只有后半段的约2.5 s 历程，即使测点温度高于测量下限(1000°C)也没有信号输出，且在输出信号开始时突然跃升，可能是由于前1.5 s 时间段高温计所获取能量没有达到仪器所预设能量阈值，没有及时输出测算信号.

图12 碳钢烧蚀过程表面温度历程Fig.12 Temperature history of carbon steel from pyrometer

图13 玄武岩烧蚀过程表面温度历程Fig.13 Temperature history of carbon steel from pyrometer

红外热像仪所测表面温度分布变化历程(图14 和图15)，印证了前文分析的模型烧蚀过程.碳钢最高温度始终位于球、锥相切线附近，由于驻点附近的半球面熔液被不断快速剥离，半球面的温度低于球、锥相切线位置，而锥身位置没有被直接加热，温度远低于前端.玄武岩的表面高温区域由端头局部逐渐向后扩展至整体，也是玄武岩熔融物不断流动覆盖锥面的过程.

图14 碳钢烧蚀表面温度分布云图Fig.14 Temperature field history of carbon steel from infrared imaging

图15 玄武岩烧蚀表面温度分布云图Fig.15 Temperature field history of basalt from infrared imaging

2.3 外形变化及有效烧蚀焓

对光学视觉形貌测量系统所测玄武岩动态烧蚀过程进行图像数字处理，提取了不同时刻模型外形轮廓，见图16 所示.经过烧蚀后的玄武岩试件头部外形有较大变化，驻点等效半径增大，球面变为锥面，整个模型轮廓近似为双锥形.通过前端点相对位置变化，获取了驻点后退量的变化历程，如图17 所示，玄武岩试件后退量近似为线性增长，并没有明显的初始缓变过程，说明玄武岩在极短的时间内完成吸热升温(小于0.3 s)，并迅速熔化后退.

图16 玄武岩烧蚀轮廓动态变化Fig.16 Time evolution of profile for basalt

图17 玄武岩驻点后退历程及线性拟合Fig.17 Recession history of Stagnation point on basalt

有效烧蚀焓是反映牺牲性防热材料耐烧蚀性能的重要参数，其定义为[25]

其中，qhw为热壁热流，qcw为冷壁热流，he为边界层外缘焓值，hhw为热壁焓，hcw为冷壁焓，m为单位面积质量损失率.在此次实验条件下，hcw远小于he，且驻点位置的he可近似为总焓，因此上式可简化为

式中，h0为已知的实验测量参数16 MJ/kg，hhw由所测驻点温度确定为2.5 MJ/kg，根据前文得到的烧蚀外形变化数据，驻点呈线性后退，半径由20 mm 变化至30 mm，由Fey-Riddle 公式计算得到时间平均驻点热流为22.5 MW/m2.质量损失在半球面上并非均匀分布，而这种分布主要由热流分布导致，因此可根据球头层流无量纲热流分布情况对时间平均驻点热流作面积加权平均，得到等效冷壁热流qsw为14 MW/m2.这样，m则可直接利用质量烧蚀率;mt计算

根据上述方法估算的玄武岩材料有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg，与文献[14]的2 MJ/kg 接近，且远小于文献[26]的蒸发烧蚀焓，可见地面模拟条件下玄武岩试件的质量损失是以熔融层剪切流失为主导.

2.4 烧蚀发射光谱

碳钢和玄武岩试件烧蚀过程中的发射光谱测量结果如图18 所示，(a)为碳钢，(b)为玄武岩.从图18 中可以看出碳钢和玄武岩在烧蚀过程中的发射光谱包含了O，N，Cu，Fe，K，Na，Cr，Si，Ca 等元素的原子辐射谱线，这些元素大致可以分为3 类：N 和O 原子来自实验气体中氮气和氧气的解离；Cu 原子来自电弧加热器电极的烧蚀；Fe，K，Na，Cr，Si，Ca 等为实验件材料元素，其中碳钢中的Fe，Cr 为主要材质元素和添加剂，Na，K 可能是炼制过程中炉渣带入的少量硅酸盐杂质，玄武岩中的Si，Ca 为主要材质元素(未测到Al)，Na，K 为碱金属杂质，也是人工陨石的典型添加元素[13].

图18 碳钢及玄武岩发射光谱测量结果Fig.18 Emission spectrum of carbon steel and basalt

图19 显示了碳钢和玄武岩试件烧蚀过程中各元素谱线的时间演化,从图中看出在碳钢和玄武岩的烧蚀中Na，K 的谱线都是最先出现并迅速升高，反映了碱金属在高温下易挥发不稳定性.烧蚀过程中模型端头随着烧蚀量的增加而后退，使得测量点更加接近驻点，因此各元素谱线强度随着烧蚀的进行都有一定的上升趋势.

图19 碳钢及玄武岩烧蚀过程光谱强度时间演化Fig.19 Evolution of spectral line intensity

利用碳钢实验中的多条谱线，通过多谱线相对强度法(玻尔兹曼分布法)获取了实验气体的总温.根据原子光谱理论，假设模型端头为局部热力学平衡态，各原子能级分布满足玻尔兹曼分布，原子谱线强度和上能级能量满足下式

式中，E,g,A,λ 和I分别为谱线的上能级能量、统计权重、跃迁几率、波长和强度，k为玻尔兹曼常数，N为总态数，U为布居函数.对于选定原子的谱线，式中第3 项为常数，因此温度可由斜率(-1/kT)得到，选择多条谱线对In(Iλ/gA)和E进行直线拟合，得到斜率进而求出温度，根据图18，选定Fe 原子的4 条谱线和铜原子的3 条谱线进行作图(图20).根据斜率分别算出气体总温为6634.4 K(铁)和6754.1 K(铜)，与气流总焓对应的温度相符.

图20 铁原子(×)和铜原子(□)玻尔兹曼图Fig.20 Boltzmann plot of Fe(×)and Cu(□)lines

2.5 电镜能谱测量

利用扫描电镜能谱仪对烧蚀后玄武岩试件进行了表面材料成分定性测量.从测量结果(图21)看，玄武岩主要含有C，Ca，O，Na，Mg，Al，Si 等元素成分.对比光谱测量数据，除红外波段的C 原子谱线和紫外波段的Al 和Mg 原子谱线处于仪器测量范围(450～1100 nm)边缘，没有有效捕捉，其余元素的两种测量结果是对应一致的.

图21 烧蚀后玄武岩电镜能谱扫描Fig.21 Post-test SEM/EDS result of basalt

3 结语

(1)通过实验记录了玄武岩和碳钢试件烧蚀动态过程，观察到了清晰的烧蚀现象，分析揭示了两者不同的质量损失机制：碳钢端头熔化为钢水，在气流冲击作用下溅射成大量微小液滴，跟随气流高速流失；玄武岩端头熔化为黏性较大的熔融层，在气流剪切作用下以表面流动损失为主，伴随少量块状剥落及蒸发喷射.

(2) 利用实验获取的玄武岩试件外形轮廓变化过程、冷壁热流、表面温度、气流总焓、质量损失等数据，估算得到实验条件下玄武岩有效烧蚀焓为2.6 MJ/kg，远小于文献[26]的蒸发烧蚀焓8 MJ/kg，揭示了类陨石材料在低空高压与高空低压环境下的烧蚀机理差异.玄武岩和碳钢试件的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g，72.7 g 以及7.3 mm，13.1 mm.

(3) 在线光谱测量获得多种原子发射光谱，包括材料蒸发的Fe，K，Na，Cr，Si，Ca，空气离解的N 和O，以及设备电极烧损的Cu，与电镜能谱扫描结果比对一致.对测试数据采用多谱线相对强度法计算气流总温约为6700 K，与流场调试校测参数相符.

致谢本文在研究中得到中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所的石卫波、杨远剑、陈卫等同志的帮助，周平、杨靖康等参与实施了实验，在此向他们表示感谢.