劉麗萍，王國林，王一光，馬昊軍，羅杰，張軍

1.西北工業(yè)大學(xué) 超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所，綿陽 621000

高焓化學(xué)非平衡流條件下防熱材料表面催化特性的試驗(yàn)方法

劉麗萍1,2,*，王國林2，王一光1，馬昊軍2，羅杰2，張軍2

1.西北工業(yè)大學(xué) 超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072 2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所，綿陽 621000

通過對高焓化學(xué)非平衡流場參數(shù)高精度重構(gòu)和試樣表面參數(shù)測試方法的研究，在1 MW高頻等離子體風(fēng)洞上建立了防熱材料(Thermal Protection Materials,TPMs)表面催化特性測試的試驗(yàn)方法。應(yīng)用該方法研究了二氧化硅材料在駐點(diǎn)壓力分別為2.7、5和10 kPa，焓值為13.9～21.9 MJ/kg的高焓離解空氣環(huán)境下，表面溫度為1 563～2 003 K范圍內(nèi)的表面催化反應(yīng)復(fù)合效率隨表面溫度和原子壓力的變化關(guān)系。對比國外文獻(xiàn)，該試驗(yàn)結(jié)果與國外研究結(jié)果一致，表明該試驗(yàn)方法是正確、可靠的。同時，高焓化學(xué)非平衡流條件下防熱材料表面催化特性試驗(yàn)方法的確立將為高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和新型防熱材料性能改進(jìn)提供有力的技術(shù)支撐。

高焓化學(xué)非平衡流；熱防護(hù)材料；表面催化特性；測試與評價；二氧化硅；等離子體風(fēng)洞

高超聲速飛行器是實(shí)現(xiàn)空天往返、追求全球及時到達(dá)理想目標(biāo)的一種較為現(xiàn)實(shí)的選擇，近年來成為國際上競相爭奪的空間技術(shù)的焦點(diǎn)之一[1]。當(dāng)飛行器在臨近空間或大氣層中進(jìn)行高超聲速飛行時，飛行器周圍的氣體受到劇烈的壓縮作用而形成激波層，穿過激波層的氣體因激波層的壓縮加熱而發(fā)生分子振動激發(fā)和離解、電離等物理化學(xué)過程[2-4]。若飛行器的繞流處于嚴(yán)重的化學(xué)非平衡狀態(tài)，則飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)所承受的氣動熱載荷在很大程度上受到防熱材料(Thermal Protection Materials,TPMs)表面催化特性的影響[5]。例如，日本的“OREX”高超聲速飛行器采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法預(yù)測的結(jié)果與飛行試驗(yàn)結(jié)果表明[6]：在飛行高度為67.6 km、飛行速度為6.72 km/s的條件下，依據(jù)CFD預(yù)測的完全非催化駐點(diǎn)熱流是完全催化駐點(diǎn)熱流的50%，而飛行試驗(yàn)獲得的材料表面駐點(diǎn)熱流是完全催化駐點(diǎn)熱流的66%左右。美國“Space Shuttle”高超聲速飛行器迎風(fēng)面熱流分布CFD預(yù)測結(jié)果與飛行試驗(yàn)結(jié)果表明[7-8]：在非駐點(diǎn)區(qū)域，表面催化對氣動熱載荷的影響小于駐點(diǎn)區(qū)域。對于尖前緣類高超聲速飛行器，上游駐點(diǎn)區(qū)域未來得及發(fā)生復(fù)合反應(yīng)的原子進(jìn)入下游非駐點(diǎn)區(qū)域之后，將導(dǎo)致下游化學(xué)非平衡流能量尺度(宏觀上可以使用離解焓與總焓的比值表征)增大，致使材料表面催化特性對飛行器迎風(fēng)面氣動熱載荷的影響比對大鈍頭體飛行器的影響更加嚴(yán)重。材料表面溫度的變化是其催化特性對飛行器氣動熱載荷影響的直接體現(xiàn)，前蘇聯(lián)“BOR”高超聲速飛行器飛行試驗(yàn)結(jié)果與CFD預(yù)測結(jié)果表明[9-10]：在高度為72 km、速度為6.5 km/s大迎角飛行條件下，飛行器迎風(fēng)面上的低催化特性材料表面溫度是高催化特性材料表面溫度的80%左右；在駐點(diǎn)區(qū)域，低催化特性材料的表面溫度較完全催化特性材料表面溫度的最大差異為20%左右。

防熱材料表面催化過程實(shí)質(zhì)是：如果防熱材料物面促進(jìn)原子(O、N)復(fù)合為分子(高催化性)，離解所消耗的化學(xué)能就會釋放出來，并傳給物面(全部或部分)；如果物面不促進(jìn)原子復(fù)合為分子(低催化性)，攜帶著離解能的原子流動至下游，有效抑制了離解能在物面的釋放而降低飛行器表面的氣動熱載荷[11]。度量防熱材料表面催化效應(yīng)程度的參數(shù)[12]主要有壁面催化速率常數(shù)(kw)和壁面催化復(fù)合效率(γ)。在過去的高超聲速飛行器氣動熱載荷預(yù)測研究中，通常將防熱材料表面視為“完全催化(γ=1)”來考慮。這一保守的設(shè)計(jì)理念帶來了2個方面的不足：① 保守設(shè)計(jì)大大增加了飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的比重，降低了飛行器的有效載荷[13]；② 對防熱材料提出了更高的要求，增加了材料研制難度[14]。

目前，國際上通常采用2種試驗(yàn)測試方法研究材料表面催化特性:① 以化學(xué)非平衡邊界層中原子濃度分布與表面催化特性相關(guān)聯(lián)為基礎(chǔ)，通過試驗(yàn)測試駐點(diǎn)線上原子濃度分布確定表面催化特性(“原子耗散法”)[15-17];② 以化學(xué)非平衡邊界層中的離解能在物面釋放與表面催化特性相關(guān)聯(lián)為基礎(chǔ)，通過試驗(yàn)測試駐點(diǎn)熱流的變化確定表面催化特性(“能量法”)[18-23]?！霸雍纳⒎ā钡娜秉c(diǎn)在于只能獲得較低壓力(≤100 Pa)條件下材料表面催化特性，導(dǎo)致催化試驗(yàn)結(jié)果的使用范圍非常有限。“能量法”雖然可以獲得更寬范圍內(nèi)防熱材料催化試驗(yàn)結(jié)果，但其試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法有待進(jìn)一步完善，且國際上公開可供使用的催化數(shù)據(jù)較少，因而無法有效揭示防熱材料表面催化復(fù)合效率與表面溫度、原子氣相分壓的數(shù)學(xué)表征關(guān)系。

為此，本文通過吸收國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在防熱材料表面催化特性研究方面的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)1 MW高頻等離子體風(fēng)洞上進(jìn)一步完善高焓化學(xué)非平衡流場參數(shù)高精度重構(gòu)和試樣表面參數(shù)確定方法，建立了以“能量法”為基礎(chǔ)的防熱材料表面催化特性的試驗(yàn)測試方法。利用該方法研究了二氧化硅材料表面催化反應(yīng)復(fù)合效率隨表面溫度和原子壓力的變化關(guān)系，為高超聲速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和新型防熱材料性能改進(jìn)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)備及裝置

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

感應(yīng)耦合等離子體(Inductive Coupled Plasma，ICP)風(fēng)洞(又名高頻等離子體風(fēng)洞)具有流場純凈、運(yùn)行時間長、模擬能力強(qiáng)、試驗(yàn)效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高超聲速飛行器防熱材料氧化、催化、輻射等性能試驗(yàn)研究。通常感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞(見圖1)的原理為：氣體介質(zhì)通過旋向進(jìn)氣裝置進(jìn)入石英管，載有高頻電流的感應(yīng)線圈纏繞在石英管上形成感應(yīng)放電室，在石英管內(nèi)部產(chǎn)生交變的電磁場并產(chǎn)生次生電流，在歐姆加熱的作用下氣體被加熱至很高的溫度，通過噴管進(jìn)入真空試驗(yàn)段，從而形成等離子體射流。本研究在中國空氣動力研究與發(fā)展中心的1 MW高頻等離子體風(fēng)洞上開展防熱材料催化特性試驗(yàn)。

圖1 感應(yīng)耦合等離子體風(fēng)洞示意圖Fig.1 Schematic diagram of inductive coupled plasma wind tunnel

1.2 催化試樣托架

借鑒國際上開展防熱材料催化性能試驗(yàn)研究方法，設(shè)計(jì)和加工了用于防熱材料表面催化試驗(yàn)研究的試樣托架。該托架由水冷不銹鋼外套(直徑為50 mm)、SiC隔熱環(huán)、泡沫石英絕熱材料以及石墨齒輪環(huán)等幾部分組成，試樣托架的幾何結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。在試樣托架的設(shè)計(jì)中，為了將試樣上的傳熱損失降到最低，石墨齒輪環(huán)與水冷外套以及試樣之間的接觸部位采用線接觸;為了降低試樣內(nèi)部的傳導(dǎo)熱流損失，在泡沫石英與試樣之間設(shè)計(jì)厚度為3 mm的空氣腔。同時，為了獲得試驗(yàn)過程中傳入試樣的傳導(dǎo)熱流和試樣背面溫度，在泡沫石英表面安裝熱電偶，用以測量該絕熱材料表面溫度，并根據(jù)該溫度的大小，通過傳導(dǎo)/輻射混合傳熱計(jì)算程序確定試樣內(nèi)部的傳導(dǎo)熱流和試樣背面溫度。

圖2 催化試樣托架示意圖Fig.2 Schematic diagram of catalytic sample holder

2 催化試驗(yàn)方法

2.1 化學(xué)非平衡流場參數(shù)重構(gòu)

在復(fù)雜的化學(xué)非平衡等離子體流場診斷中，需要明確的參數(shù)主要包括駐點(diǎn)壓力p、密度ρ、溫度T、焓值H0、速度U、氧原子濃度CO和氮原子濃度CN等7個參數(shù)[10]。高焓流場參數(shù)可以通過式(1)～式(3)得出。

(1)

H0=cpT+id

(2)

(3)

假定高頻高焓流場為5組元11個化學(xué)反應(yīng)模型，流場計(jì)算控制方程為熱化學(xué)非平衡的軸對稱Navier-Stokes(N-S)方程。對于5組元空氣化學(xué)模型，一般有如下的假設(shè)：NO組元是非催化，試樣表面催化反應(yīng)主要考慮了O+O→O2、N+N→N2這2種表面催化復(fù)合反應(yīng)。在化學(xué)非平衡流場診斷中，難點(diǎn)是確定氧原子和氮原子的濃度，為了更有效地確定流場參數(shù)，需要通過試驗(yàn)測試(測量完全催化熱流q和駐點(diǎn)壓力p)，并結(jié)合高頻等離子體風(fēng)洞數(shù)值模擬代碼確定其他參數(shù)。確定過程為：將射流靜壓、氣體流量、加熱器功率和加熱器效率輸入到高頻高焓化學(xué)非平衡流場計(jì)算代碼中，確定無氧銅完全催化駐點(diǎn)熱流(計(jì)算時，將材料表面催化反應(yīng)常數(shù)設(shè)定為25 m/s)，以加熱器效率為調(diào)節(jié)參數(shù)，當(dāng)計(jì)算獲得的射流動壓、材料駐點(diǎn)熱流與測量結(jié)果的最大偏差均小于1%時，結(jié)束計(jì)算，輸出總焓、溫度、壓力、密度、速度、氮原子濃度和氧原子濃度。

其中，需要通過試驗(yàn)測試確定的流場參數(shù)主要包括完全催化熱流q和駐點(diǎn)壓力p這2個參數(shù)。完全催化熱流q通過帶有5個探頭點(diǎn)的?50柱塞量熱計(jì)測量試樣表面不同位置處的熱流值得到，測量結(jié)果最大偏差為3.66%，表明催化試驗(yàn)過程中試樣表面熱流分布是比較均勻的，滿足催化試驗(yàn)流場條件要求。駐點(diǎn)壓力p采用?20的皮托壓力探頭測量。

按照上述非平衡流場診斷方法，給出一個算例結(jié)果。計(jì)算狀態(tài)見表1，表中CO2、CN2、CNO分別為O2、N2、NO的濃度。圖3給出了通過數(shù)值模擬獲得的不同表面催化復(fù)合效率(γ=0.15和γ=0.000 1)條件下直徑為50 mm的平頭圓柱體試樣駐點(diǎn)線上溫度、焓值和組元濃度等各參數(shù)分布曲線。圖中，H0δ=27.2 MJ/kg為歸一化總焓，Tδ=6 110 K為歸一化溫度，δ為噴管出口徑向距離。

表1 化學(xué)非平衡繞流計(jì)算結(jié)果

圖3 不同催化條件下試樣繞流計(jì)算結(jié)果Fig.3 Computation results of flow around model with different catalytic conditions

2.2 材料表面參數(shù)確定

由于催化試樣周圍物體(風(fēng)洞洞壁、催化試樣托架等)經(jīng)過高壓水冷冷卻，表面溫度一般低于30 ℃，且催化試樣表面溫度較高(1 300～1 800 ℃)，根據(jù)兩物體輻射換熱系數(shù)公式可知，催化試樣與其他周圍物體表面之間存在的輻射換熱熱流對催化試樣表面輻射度影響較小，可以忽略不計(jì)。因此，在高表面溫度條件下，試樣表面的能量動態(tài)平衡關(guān)系可以簡化為：試樣表面駐點(diǎn)熱流qs等于試樣表面輻射熱流qr(輻射度)和試樣內(nèi)部傳導(dǎo)熱流qc之和,即

qs=qc+qr

(4)

因此，在試驗(yàn)研究中，需要確定試樣表面溫度Tw、輻射熱流qr和傳入試樣內(nèi)部的傳導(dǎo)熱流qc這3個參數(shù)。其中，試樣表面溫度Tw通過比色光學(xué)高溫計(jì)(LumaSense IGAR 12-LO型)測量，其溫度測量范圍為550～2 500 ℃,波段為1.52～1.64 μm,精度為0.4%。

1) 輻射熱流確定

使用紅外光譜儀(BRUKER VERTEX80，光譜范圍：0.3～10 μm，分辨率：0.2 cm-1)采用發(fā)射光譜測試技術(shù)測量置于風(fēng)洞流場中的模型的發(fā)射率，如圖4所示。試驗(yàn)中，由光譜儀測試得到的材料表面發(fā)射光譜是光譜儀的示值，需要采用高溫黑體爐標(biāo)定，將其轉(zhuǎn)換為材料表面的光譜輻射亮度。

圖4 輻射測試系統(tǒng)光路示意圖Fig.4 Schematic diagram for radiation measurement beam path

設(shè)波長λ處光譜儀示值為xλ,實(shí)際的光譜輻亮度為Lλ,其滿足的多項(xiàng)式為

(5)

式中：a0～a5為多項(xiàng)式系數(shù)。采用光譜儀測量了高溫黑體爐在1 578～2 678 K之間不同溫度下的發(fā)射光譜，由普朗克輻射定律和朗伯輻射體的規(guī)律，可以得到黑體的光譜輻亮度為

(6)

式中:Mλb為黑體的光譜輻射出射度(W/(m2·μm));c1和c2分別為第一輻射系數(shù)和第二輻射系數(shù)。

利用一系列的黑體爐發(fā)射光譜儀器示值曲線和同溫度下黑體的光譜輻亮度曲線，對式(5)進(jìn)行擬合，每一個波長處可以得到一組多項(xiàng)式系數(shù)，即可得到光譜儀整個測試波段(0.8～10 μm)每個波長所對應(yīng)的多項(xiàng)式系數(shù)，從而可建立各個波長下光譜儀示值和物體實(shí)際發(fā)射的光譜輻亮度的標(biāo)定關(guān)系，利用這一標(biāo)定關(guān)系對等離子風(fēng)洞上測量得到的材料發(fā)射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到材料表面的實(shí)際光譜輻亮度，最后確定模型的發(fā)射率。根據(jù)試驗(yàn)測量的表面溫度，依據(jù)輻射換熱理論得出模型表面的輻射熱流。

2)傳導(dǎo)熱流確定

在試驗(yàn)中，為了提高傳導(dǎo)熱流確定的可靠性和準(zhǔn)確性，采用軸對稱二維傳導(dǎo)/輻射耦合傳熱計(jì)算程序，以實(shí)現(xiàn)對試樣及試樣托架組合體內(nèi)部傳導(dǎo)熱流的確定。在試樣托架設(shè)計(jì)時，試樣和泡沫石英之間有大約3 mm左右的空腔，將熱電偶安裝在空腔底部測量其溫度，以該位置處的溫度作為傳熱計(jì)算的另一個邊界條件。給定某一試樣表面?zhèn)鲗?dǎo)熱流，計(jì)算試樣托架內(nèi)熱電偶測溫位置處的溫度，當(dāng)其與測量溫度相一致時，確定出傳入試樣內(nèi)部的傳導(dǎo)熱流。

為了驗(yàn)證二維傳導(dǎo)/輻射耦合數(shù)值傳熱計(jì)算程序的準(zhǔn)確性，采用無氧銅制成直徑為20 mm，厚度為3 mm的圓片模型，在壓力為5 kPa、駐點(diǎn)熱流為76.8 W/cm2、焓值為15.8 MJ/kg的流場條件下測量無氧銅圓片試樣的背溫Tb-mea和輻射腔底部的溫度Tc-mea(泡沫石英表面溫度)。然后通過數(shù)值傳熱計(jì)算程序并結(jié)合無氧銅試樣的熱物性參數(shù)計(jì)算得到無氧銅圓片試樣的背溫Tb-cal和輻射腔底部溫度Tc-cal的溫升曲線。從圖5中可以看出2個溫度點(diǎn)的測量值和數(shù)值傳熱計(jì)算值比較一致，表明采用邊界條件修正后的數(shù)值傳熱計(jì)算方法確定相關(guān)參數(shù)是可靠的。

圖5 傳導(dǎo)熱流標(biāo)定計(jì)算與測試對比曲線Fig.5 Comparative curves of conduction flux computation calibration and measurement

2.3 防熱材料表面催化復(fù)合效率確定

防熱材料表面催化復(fù)合效率采用“能量法”確定，其流程示意圖見圖6，該方法的基本過程如下：

步驟1將測量得到的試樣表面溫度Tw輸入到試樣繞流流場計(jì)算程序，獲得特定流場參數(shù)下，不同表面催化復(fù)合效率γ所對應(yīng)的計(jì)算駐點(diǎn)熱流qcom。

步驟2依據(jù)計(jì)算獲得的一系列的表面催化復(fù)合效率γ和其所對應(yīng)的計(jì)算駐點(diǎn)熱流qcom,采用多項(xiàng)式擬合的方法構(gòu)造函數(shù)，其表達(dá)式為

γ=f(qcom,Tw)

(7)

步驟3當(dāng)|qcom-qs|/|qs|≤0.01時，將由輻射熱流和傳導(dǎo)熱流確定的試樣駐點(diǎn)熱流qs代入式(7)，獲得材料表面在溫度為Tw條件下的催化反應(yīng)復(fù)合效率，并依據(jù)表面催化反應(yīng)速率與表面催化復(fù)合效率之間的關(guān)系確定材料表面催化反應(yīng)速率。

在表面催化復(fù)合效率已知的情況下，表面催化反應(yīng)速率的表達(dá)式為

(8)

式中：kA為玻爾茲曼常數(shù);mA為原子分子量。

圖6 防熱材料表面催化復(fù)合效率計(jì)算流程圖Fig.6 Computational flow chart of surface catalytic recombination coefficient of TPMs

3 典型防熱材料催化試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

使用2.3節(jié)中的方法和過程開展了高溫二氧化硅材料表面催化特性試驗(yàn)研究。在二氧化硅材料表面催化特性試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)時間要確保暴露在高焓氣流中的二氧化硅材料表面溫度達(dá)到穩(wěn)定， 要達(dá)到這一條件， 需要較長的試驗(yàn)時間(大致為180～240 s)，在滿足上述要求的條件下，試樣表面的換熱達(dá)到動態(tài)平衡。圖7為試樣試驗(yàn)前、試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)結(jié)束后的照片。

催化試驗(yàn)所用的試樣為直徑為20 mm、厚度為3 mm的圓片。在壓力分別為2.7、 5和10 kPa，焓值為13.9～21.9 MJ/kg范圍內(nèi)開展了12組不同狀態(tài)的催化特性試驗(yàn)，以獲得二氧化硅材料表面催化復(fù)合效率與不同表面溫度、原子分壓(pA)的數(shù)學(xué)表征關(guān)系式，詳細(xì)的催化試驗(yàn)狀態(tài)及結(jié)果見表2。

以表2給出的催化復(fù)合效率(γ)和二氧化硅試樣表面溫度的倒數(shù)(1/Tw)作圖(見圖8(a))，給出它們之間的相關(guān)性， 使用最小二乘法得出這些獨(dú)立的數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離直線的最大值超過20%，得到二氧化硅材料表面催化復(fù)合效率與溫度的數(shù)學(xué)表征關(guān)系式為

γ=2 907.3exp(-21 807/Tw)

(9)

圖7 二氧化硅試樣催化試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.7 Catalytic test photos of SiO2

表2 二氧化硅表面催化試驗(yàn)結(jié)果Table 2 SiO2 surface catalytic test results

從數(shù)據(jù)點(diǎn)分布可知，若將二氧化硅材料表面催化復(fù)合效率僅僅定義為表面溫度的函數(shù)， 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果獲得的催化復(fù)合效率與溫度的表征關(guān)系式誤差較大，在考慮原子分壓因素之后，所獲得的試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出更好的單調(diào)相關(guān)性，如圖8(b)所示，使用最小二乘法得出這些數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離直線的最大值不超過7%，γ、pA、Tw三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

γpA=0.330 3exp(-13 105/Tw)

(10)

試驗(yàn)結(jié)果表明：二氧化硅材料在高溫條件下的表面催化復(fù)合效率應(yīng)該同時被定義為表面溫度和原子分壓的函數(shù)。

3.2 試驗(yàn)分析

圖9 高溫二氧化硅試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.9 Comparison of test results of SiO2 with high temperature

圖9給出了二氧化硅材料在表面溫度為350～1 900 K的范圍內(nèi)國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果[18-25]。從圖中可以看出，在中低溫(350～1 000 K)表面溫度條件下，不同研究者獲得的二氧化硅材料表面催化反應(yīng)復(fù)合效率γ結(jié)果差異較大。其中，Stewart等[24]在電弧風(fēng)洞上測量獲得的二氧化硅試驗(yàn)結(jié)果(10-3數(shù)量級)較Kim和Boudart[19]、Scott[8](10-4數(shù)量級)的試驗(yàn)結(jié)果大一個數(shù)量級。其主要的原因在于：電弧風(fēng)洞銅電極燒蝕產(chǎn)物會部分沉積在二氧化硅材料表面，從而影響催化試驗(yàn)結(jié)果(銅可以認(rèn)為是完全催化材料，即γ=1)，在相同試驗(yàn)條件下Graeves和Linett的試驗(yàn)結(jié)果卻達(dá)到了0.01[18]。

在高溫條件下(1 000～1 900 K)，中國空氣動力研究與發(fā)展中心(CARDC)與國際上不同研究機(jī)構(gòu)(Willey[22]、Stewart等[23,25])獲得的二氧化硅材料表面催化反應(yīng)復(fù)合效率γ結(jié)果比較一致(10-2左右)。因此，對比國內(nèi)外公開文獻(xiàn)，本試驗(yàn)中確定的高溫二氧化硅表面催化試驗(yàn)結(jié)果是真實(shí)、可信的。

4 結(jié) 論

1) 通過開展高焓化學(xué)非平衡流場參數(shù)高精度重構(gòu)和試樣表面參數(shù)高精度確定方法研究，采用“能量法”在1 MW高頻等離子體風(fēng)洞中建立了一套理論基礎(chǔ)扎實(shí)、試驗(yàn)測試結(jié)果可靠的非燒蝕型防熱材料表面催化特性試驗(yàn)方法。

2) 應(yīng)用所發(fā)展的催化試驗(yàn)方法研究了二氧化硅材料在駐點(diǎn)壓力分別為2.7、5和10 kPa，焓值為13.9～21.9 MJ/kg的高焓離解空氣環(huán)境下，表面溫度為1 563～2 003 K范圍內(nèi)的表面催化反應(yīng)復(fù)合效率隨表面溫度和原子壓力的變化關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：二氧化硅材料在高溫條件下的表面催化復(fù)合效率應(yīng)該同時被定義為表面溫度和原子分壓的函數(shù)。

3) 對比國內(nèi)外公開文獻(xiàn)，本文獲得的高溫條件下SiO2表面催化反應(yīng)復(fù)合效率試驗(yàn)結(jié)果是真實(shí)、可靠的，為熱防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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Testmethodsfordeterminingsurfacecatalyticpropertiesofthermalprotectionmaterialsinhighenthalpychemicalnon-equilibriumflows

LIULiping1,2,*,WANGGuolin2,WANGYiguang1,MAHaojun2,LUOJie2,ZHANGJun2

1.KeyLaboratoryofScienceandTechnologyonThermostructuralCompositeMaterials,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China2.HypervelocityAerodynamicsInstitute,ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China

ThemethodfordeterminingthesurfacecatalyticrecombinationcoefficientsofThermalProtectionMaterials(TPMs)inhighenthalpydissociatedflowsisestablishedon1MWhighfrequencyplasmawindtunnelaccordingtotheresearchdevelopmentindiagnosticsofhighenthalpychemicalnon-equilibriumflowandsurfaceparameterdeterminationofTPMs.ThispaperpresentsthecatalyticrecombinationcoefficientofSiO2,withsurfacetemperaturebeing1563-2003K,enthalpybeing13.9-21.9MJ/kg,andstagnationpointpressurebeing2.7,5and10kPa.Thetestresultsagreewellwithforeignliteratures,indicatingreliabilityofthemethodfordeterminationofcatalyticrecombinationcoefficient.ThemethodproposedcanprovidesupportforprecisepredictionofaerodynamicheatenvironmentandmoreaccuratedesignofTPMs.

highenthalpychemicalnon-equilibriumflow;thermalprotectionmaterials;surfacecatalyticproperties;testandevaluation;silicondioxide;plasmawindtunnel

2017-04-12；Revised2017-04-25；Accepted2017-05-17;Publishedonline2017-05-271417

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s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(51172181,11602289)

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10.7527/S1000-6893.2017.121317

V211.71

A

1000-6893(2017)10-121317-09

2017-04-12；退修日期2017-04-25；錄用日期2017-05-17；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2017-05-271417

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國家自然科學(xué)基金(51172181,11602289)

*

.E-mailopingstar@163.com

劉麗萍，王國林，王一光，等.高焓化學(xué)非平衡流條件下防熱材料表面催化特性的試驗(yàn)方法J. 航空學(xué)報(bào)，2017，38(10):121317.LIULP,WANGGL,WANGYG,etal.Testmethodsfordeterminingsurfacecatalyticpropertiesofthermalprotectionmaterialsinhighenthalpychemicalnon-equilibriumflowsJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(10):121317.

(責(zé)任編輯：王嬌)