劉建方 胡堅(jiān)勇 孫慧娟 李明偉

(1.北京航天動(dòng)力研究所,北京 100076； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué), 哈爾濱 150001)

發(fā)動(dòng)機(jī)氣瓶熱防護(hù)產(chǎn)品絕熱性能評(píng)定研究

劉建方1胡堅(jiān)勇1孫慧娟1李明偉2

(1.北京航天動(dòng)力研究所,北京 100076； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué), 哈爾濱 150001)

通過(guò)批抽檢熱真空試驗(yàn)，能夠評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)氣瓶熱防護(hù)產(chǎn)品的絕熱性能，由于試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)工藝過(guò)程對(duì)產(chǎn)品溫升會(huì)產(chǎn)生巨大影響，依據(jù)絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法，在試驗(yàn)方法不變的條件下，提出新的試驗(yàn)評(píng)定要求：穩(wěn)態(tài)過(guò)程中產(chǎn)品溫升速率。新的產(chǎn)品測(cè)試評(píng)定要求，能夠客觀準(zhǔn)確的評(píng)定產(chǎn)品的隔熱性能，排除設(shè)備和工藝過(guò)程對(duì)評(píng)定結(jié)果的影響。此評(píng)定方法也可用于形狀不規(guī)則、厚度不一致的整件產(chǎn)品絕熱性能評(píng)定。 關(guān)鍵詞 復(fù)合結(jié)構(gòu) 熱防護(hù) 絕熱性能 產(chǎn)品測(cè)試

1 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)上的高壓氣瓶貯存著火箭低溫液體發(fā)動(dòng)機(jī)的吹除和控制氣體，在火箭飛行過(guò)程中通過(guò)兩位三通電磁閥的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)氣瓶向發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)吹除和控制氣體。早期高壓氣瓶使用金屬材料制成，其中應(yīng)用最多的是鈦合金，TC4鈦合金球形氣瓶已經(jīng)非常成熟。某型發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金氣瓶在火箭飛行過(guò)程中承受著多個(gè)系統(tǒng)造成的綜合熱環(huán)境影響，熱環(huán)境產(chǎn)生劇烈加熱作用，使氣瓶的溫度快速升高。氣瓶溫度升高會(huì)導(dǎo)致氣瓶抗拉強(qiáng)度降低和氣瓶?jī)?nèi)氣體的壓力升高，從而會(huì)導(dǎo)致氣瓶的安全系數(shù)和可靠性降低，給飛行帶來(lái)巨大隱患。為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)飛行熱環(huán)境對(duì)氣瓶的影響，研制了柔性輕質(zhì)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)氣瓶熱防護(hù)層，包覆氣瓶，通過(guò)仿真計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，熱防護(hù)層能夠保證將氣瓶溫度控制在氣瓶使用溫度范圍內(nèi)，提高氣瓶安全可靠性，保障飛行安全。

為了保證產(chǎn)品可靠性，在產(chǎn)品的生產(chǎn)交付過(guò)程中制定了批產(chǎn)品熱真空抽檢試驗(yàn)要求。試驗(yàn)方法為：在真空條件下，氣瓶包覆熱防護(hù)層產(chǎn)品后，在防護(hù)層和氣瓶的外側(cè)分別設(shè)置溫度側(cè)點(diǎn)，真空條件下通過(guò)加熱使防護(hù)層外側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度至少達(dá)到500℃，保持一定時(shí)間，通過(guò)內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量氣瓶殼體溫升判定產(chǎn)品的綜合絕熱能力。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)溫升受到測(cè)試過(guò)程中外側(cè)(0～500)℃溫升時(shí)間影響比較大，試驗(yàn)過(guò)程中(0～500)℃溫升時(shí)間長(zhǎng)短嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果，而溫升時(shí)間受設(shè)備的加熱能力制約，不能保證測(cè)試的一致性，在試驗(yàn)過(guò)程中溫升時(shí)間存在較大散差，為了更準(zhǔn)確測(cè)試復(fù)合結(jié)構(gòu)氣瓶熱防護(hù)層的綜合絕熱性能，排除測(cè)試設(shè)備和測(cè)試工藝過(guò)程對(duì)測(cè)試性能影響，需研究其它性能評(píng)定方法來(lái)客觀準(zhǔn)確評(píng)定產(chǎn)品的絕熱性能。

2 氣瓶熱防護(hù)層產(chǎn)品

鈦合金氣瓶熱防護(hù)層產(chǎn)品是由中間層低熱導(dǎo)材料和兩側(cè)高反射率材料間隔復(fù)合而成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)熱防護(hù)層，復(fù)合結(jié)構(gòu)熱防護(hù)層共分為5層(如圖1所示)，由外及內(nèi)分別為單層石英纖維布、單層鋁箔、柔性隔熱氈、單層鋁箔和單層石英纖維布，五層材料通過(guò)石英纖維線縫合而成。為了裝配需要，在使用過(guò)程中由復(fù)合材料隔熱層制作而成的三件隔熱片，分別為上半球左側(cè)，上半球右側(cè)，下半球，通過(guò)三件復(fù)合結(jié)構(gòu)熱防護(hù)層貼合在氣瓶外側(cè)完全包覆氣瓶，此種設(shè)計(jì)能夠保證復(fù)合材料隔熱層完全包覆氣瓶外壁，且裝配方便。氣瓶熱防護(hù)層產(chǎn)品能夠隔絕對(duì)流傳熱和輻射傳熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣瓶的有效熱防護(hù)。

3 氣瓶熱防護(hù)層性能測(cè)試方法

一般來(lái)說(shuō)，采用試驗(yàn)方法確定材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法主要分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是在加熱側(cè)和散熱側(cè)達(dá)到熱流平衡狀態(tài)，產(chǎn)品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布后進(jìn)行測(cè)量。穩(wěn)態(tài)法測(cè)量準(zhǔn)確，測(cè)量過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)。非穩(wěn)態(tài)法則是指產(chǎn)品內(nèi)的溫度分布是隨著時(shí)間變化而變化的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。非穩(wěn)態(tài)法測(cè)量準(zhǔn)確度差，測(cè)量過(guò)程時(shí)間短。

3.1 氣瓶熱防護(hù)層性能測(cè)試

常規(guī)絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法很多，主要原理如圖2所示。測(cè)量過(guò)程中取一定面積、形狀規(guī)則、表面平整、厚度均勻的絕熱材料，在絕熱材料的高溫側(cè)加熱源，低溫側(cè)加冷源，達(dá)到熱平衡后，絕熱材料內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度梯度，通過(guò)絕熱材料兩測(cè)溫度Th和Tl、低溫側(cè)傳熱量和絕熱材料的形外形參數(shù)即可計(jì)算出絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)。該測(cè)量方法屬于穩(wěn)態(tài)法[1]，測(cè)量準(zhǔn)確度高。

氣瓶熱防護(hù)層產(chǎn)品使用多種原材料，采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，并且最后通過(guò)裝配形成整件熱防護(hù)產(chǎn)品，由于氣瓶熱防護(hù)層產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)的厚度差別和外形特殊性，不能直接采用導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法，為了達(dá)到快速準(zhǔn)確測(cè)試產(chǎn)品絕熱性能，初期采用了非穩(wěn)態(tài)法測(cè)量方法。

鈦合金氣瓶熱防護(hù)層為五層結(jié)構(gòu)，研制初期完成了發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)熱真空試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，制定了產(chǎn)品批抽檢試驗(yàn)要求。為了保證測(cè)試和使用條件的一致性，要求在真空條件下測(cè)試，測(cè)試過(guò)程真空度達(dá)到7×10-3Pa，氣瓶在包覆熱防護(hù)層后，在防護(hù)層的外側(cè)設(shè)置溫度側(cè)點(diǎn)(T1)，在氣瓶的內(nèi)側(cè)設(shè)置溫度側(cè)點(diǎn)(T2)，通過(guò)加熱使外側(cè)溫度測(cè)點(diǎn)溫度至少達(dá)到500℃以上，保持一定時(shí)間，通過(guò)氣瓶的內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)(T2)測(cè)量氣瓶溫升判定產(chǎn)品的綜合絕熱能力。試驗(yàn)的主要設(shè)備為ECM真空高壓氣淬爐(如圖3所示)，該設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)：

爐膛工作尺寸：1000mm×600mm×600mm

工作真空度：2×10-3Pa

最高工作溫度：1350℃

該設(shè)備工作真空度最高能達(dá)到2×10-3Pa, 最高工作溫度1350℃,能夠充分滿足試驗(yàn)的真空度和溫度要求。在試驗(yàn)過(guò)程中氣瓶在包覆熱防護(hù)層后放入爐內(nèi)支撐板上。

鈦合金氣瓶熱防護(hù)層產(chǎn)品抽檢測(cè)試過(guò)程中，防護(hù)層的最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)分別設(shè)置溫度側(cè)點(diǎn)，分別為外側(cè)測(cè)點(diǎn)(T1)和內(nèi)測(cè)測(cè)點(diǎn)(T2)，外側(cè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量鈦合金氣瓶熱防護(hù)層外表面溫度，內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量鈦合金氣瓶殼體溫度，由于鈦合金氣瓶熱防護(hù)層內(nèi)表面與鈦合金氣瓶貼合，內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量溫度也等于熱防護(hù)層內(nèi)表面溫度。通過(guò)加熱作用使外側(cè)溫度測(cè)點(diǎn)溫度至少達(dá)到500℃以上，保持一定時(shí)間，通過(guò)內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量氣瓶溫升判定熱防護(hù)產(chǎn)品的綜合絕熱能力。試驗(yàn)過(guò)程試驗(yàn)產(chǎn)品布置如圖4所示。

在傳統(tǒng)思想中，國(guó)內(nèi)播音主持人應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)且流利的普通話，這是播音工作的基本要求。但是，在實(shí)際工作當(dāng)中，很多播音主持帶有濃重的口音，如東北腔、港臺(tái)腔等標(biāo)志都極為明顯，甚至一些小的地方廣播電臺(tái)會(huì)選擇使用地方語(yǔ)言進(jìn)行節(jié)目錄制。除此之外，播報(bào)方式也發(fā)生了許多改變，曲解了生動(dòng)、幽默的本意，過(guò)多地將播音的內(nèi)容變得生活化、口語(yǔ)化。

兩次試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，在第一次試驗(yàn)過(guò)程中氣瓶殼體初始溫度為17.9℃，防護(hù)層外側(cè)通過(guò)239s加熱達(dá)到500℃，如圖5中A點(diǎn)所示，氣瓶殼體溫度為17.5℃，加熱一段時(shí)間后溫度輕微降低原因可能是在高真空下材料內(nèi)部水分或其它物質(zhì)逐漸揮發(fā)，物質(zhì)的揮發(fā)帶走部分熱量，而此時(shí)加熱產(chǎn)生的熱量還未通過(guò)防護(hù)層傳導(dǎo)給氣瓶殼體，所以呈現(xiàn)出氣瓶殼體溫度不升反降的現(xiàn)象，加熱1 360s后所示熱防護(hù)層達(dá)到熱流穩(wěn)定狀態(tài)，氣瓶殼體溫度為24.7℃，如圖5中D點(diǎn)所示；在第二次試驗(yàn)過(guò)程中氣瓶殼體初始溫度為22.7℃，防護(hù)層外側(cè)通過(guò)580s加熱達(dá)到500℃，如圖5中B點(diǎn)所示，氣瓶殼體溫度為21.9℃，到1 510s時(shí)，熱防護(hù)層達(dá)到熱流穩(wěn)定，氣瓶殼體溫度為30.1℃，如圖5中C點(diǎn)所示。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

在兩次試驗(yàn)過(guò)程中，初期加熱T2有微小溫度波動(dòng)過(guò)程，隨著加熱過(guò)程持續(xù)，氣瓶殼體溫度逐漸升高，達(dá)到某一狀態(tài)點(diǎn)后，即穩(wěn)態(tài)點(diǎn)，氣瓶殼體溫度變化與時(shí)間變化開(kāi)始成線性關(guān)系，即氣瓶的溫度變化率恒定，證明通過(guò)熱防護(hù)層的熱流密度穩(wěn)定。由數(shù)據(jù)分析可知，在加熱和保溫過(guò)程中，加熱過(guò)程氣瓶殼體升溫小，保溫過(guò)程溫升大。

試驗(yàn)代號(hào)時(shí)間(s)氣瓶殼體溫度T1=500℃熱流穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)束試驗(yàn)初始T1=500℃熱流穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)束保溫過(guò)程溫升(℃)test12501360225017．917．524．641．524test25901510256022．721．930．15937．1

3.2 氣瓶熱防護(hù)層性能測(cè)試局限性

由于在氣瓶熱防護(hù)層性能測(cè)試過(guò)程中防護(hù)層內(nèi)外均裝有溫度測(cè)點(diǎn)，通過(guò)理論分析能夠計(jì)算熱防護(hù)層的傳熱量。溫度梯度、導(dǎo)熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱量三者之間的關(guān)系由傅里葉定律[2]給出，導(dǎo)熱量計(jì)算公式如式(1)所示

(1)

氣瓶通過(guò)防護(hù)層的傳熱溫度升高，吸收的熱量可通過(guò)式(2)計(jì)算

(2)

熱防護(hù)層為非金屬低密度絕熱材料，比熱容與金屬近似，而瓶體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于防護(hù)層的質(zhì)量，因此熱防護(hù)層熱容遠(yuǎn)小瓶體熱容。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后氣瓶防護(hù)層單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱量恒定，即熱流密度恒定。可近似認(rèn)為通過(guò)熱防護(hù)層的熱量等于氣瓶吸收的熱量，即防護(hù)層不吸熱，熱平衡計(jì)算如式(3)所示。

(3)

在上式中由于防護(hù)層內(nèi)外層溫度差別很大，可近似認(rèn)為測(cè)試過(guò)程中溫度梯度為定值，因此熱防護(hù)層的導(dǎo)熱系數(shù)與氣瓶溫度變化率成線性關(guān)系。由于熱防護(hù)層產(chǎn)品與單獨(dú)的熱防護(hù)層差別很大，在裝配過(guò)程中依據(jù)裝配的需要，產(chǎn)品有重疊，不同位置厚度差別很大，產(chǎn)品型面不規(guī)則，溫度梯度不能準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，所以也無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出綜合導(dǎo)熱系數(shù)。但是通過(guò)上述理論分析，能夠通過(guò)氣瓶殼體溫度變化率定量評(píng)定整件熱防護(hù)層的絕熱性能。

4 氣瓶熱防護(hù)層性能評(píng)定

通過(guò)兩次試驗(yàn)，第一次試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)符合批抽檢要求，而第二次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)T2溫度達(dá)到59℃，T1溫度達(dá)到500℃時(shí)T2溫度為21.9℃；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)T2超要求上限值2.1℃，第二次試驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)態(tài)點(diǎn)后氣瓶殼體溫度變化率為0.027 5℃/s，而第一次試驗(yàn)溫度變化率為0.019℃/s，由此可知，第二次試驗(yàn)材料的綜合導(dǎo)熱率超過(guò)第一次試驗(yàn)材料的綜合導(dǎo)熱率，第二次試驗(yàn)產(chǎn)品的綜合隔熱性能劣于第一次試驗(yàn)產(chǎn)品的綜合隔熱性能。第二次試驗(yàn)過(guò)程中材料熱流穩(wěn)定后，溫度變化擬合線為CE(如圖6所示)，最高點(diǎn)溫度為E點(diǎn)，而要求溫度上限為F點(diǎn)，連接CF，如果第二次試驗(yàn)穩(wěn)定后升溫?cái)M合線為CF，則測(cè)試合格，CF線的溫度變化率為0.025 5℃/s，所以通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以采用熱流穩(wěn)定后的溫度變化率為產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，而本次試驗(yàn)過(guò)程中氣瓶殼體溫度達(dá)到而略超溫度測(cè)量要求上限，通過(guò)升溫線擬合線計(jì)算上限，可接受產(chǎn)品溫度變化率上限為0.025 5℃/s，取兩位有效數(shù)據(jù)，溫度變化率上限為0.025℃/s。

5 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)絕熱材料的絕熱性能評(píng)定方法比較成熟，而對(duì)絕熱產(chǎn)品的絕熱性能量化評(píng)定難度很大。通過(guò)理論分析和熱真空試驗(yàn)研究，熱流穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的瓶體溫度隨時(shí)間的變化率能夠客觀準(zhǔn)確的反映產(chǎn)品的絕熱性能，能夠作為發(fā)動(dòng)機(jī)氣瓶熱防護(hù)層產(chǎn)品的絕熱性能的量化評(píng)價(jià)方法，該評(píng)定方法能夠排除設(shè)備的加溫能力和測(cè)試工藝過(guò)程的影響，也可用于其它形狀不規(guī)則、厚度不一致的整件產(chǎn)品絕熱性能評(píng)定。

[1] 陳鵬偉.非導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法研究[D].西安:西安理工大學(xué)，2011：11～12．

[2] 趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)[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

劉建方(1980-)，男，工程師，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)。

1000-7202(2017) 02-0026-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.06

V434+.3

A