金新航, 馬炳和, 邱 濤, 鄧進(jìn)軍, 羅 劍

(西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710072)

0 引 言

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)涉及高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、高溫氣動(dòng)熱力學(xué)等多學(xué)科，復(fù)雜惡劣內(nèi)部工況對(duì)測(cè)試技術(shù)提出了高要求[1-2]。

溫度及熱流是研究燃燒過(guò)程及熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中的2個(gè)重要物理量，也是研究超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱、熱負(fù)荷及熱防護(hù)等的基礎(chǔ)，定量化評(píng)估其燃燒狀態(tài)、燃燒效率及相關(guān)性能的必要條件[3-4]。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部熱載荷條件極其惡劣，燃燒氣流馬赫數(shù)一般在2以上，氣流總溫可達(dá)2800K，壁面熱流在0.4～5 MW/m2，普通測(cè)量手段很難適用[5]。這導(dǎo)致目前獲取其內(nèi)部溫度及熱流場(chǎng)信息的方式仍以數(shù)值仿真為主，缺乏實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的瞬時(shí)高溫測(cè)量手段。

本文介紹了鎧裝式傳感器、薄膜傳感器、光電測(cè)量法及輻射測(cè)量法的技術(shù)特點(diǎn)及典型應(yīng)用，并闡述了薄膜傳感器的最新研究進(jìn)展。

1 溫度測(cè)量

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵溫度參數(shù)可分為內(nèi)壁面溫度與氣流總溫2種。其中內(nèi)壁面溫度主要用于分析發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的熱載荷、冷卻效率，而氣流總溫則用于評(píng)估燃燒效率與燃燒過(guò)程等。

1.1 鎧裝熱電偶

熱電偶是最常用的高溫測(cè)量手段，但未經(jīng)專門封裝難以承受發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫、高速、強(qiáng)沖擊的惡劣環(huán)境。通過(guò)合理設(shè)計(jì)鎧裝保護(hù)結(jié)構(gòu)，可以提升傳感器的極限耐受溫度和環(huán)境適用性。

2016年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)蘭利研究中心，采用將熱電偶嵌入SiC陶瓷中的方式(見(jiàn)圖1)，研究了碳碳復(fù)合材料在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中承受的熱載荷及生存性能[6]。

圖1 嵌入碳碳復(fù)合材料的熱電偶安裝圖

2012年，北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所研制了一種基于鎢錸材料和抗氧化鍍膜技術(shù)的鎧裝熱電偶(見(jiàn)圖2)。通過(guò)在高超飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)上的實(shí)際測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)2600K溫度的測(cè)量，連續(xù)工作時(shí)間8s，誤差在174K以內(nèi)[7]。

圖2 鎧裝熱電偶

2012年，中國(guó)航天科工集團(tuán)三十一研究所也對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口氣流總溫的測(cè)量進(jìn)行了研究。通過(guò)鎧裝熱電偶實(shí)現(xiàn)了對(duì)其內(nèi)部燃燒室總溫的測(cè)量，圖3即為總溫傳感器實(shí)測(cè)曲線，并以此為依據(jù)對(duì)燃燒效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8]。

圖3 總溫測(cè)量曲線

2009年，國(guó)防科技大學(xué)通過(guò)將多支熱電偶嵌入超燃發(fā)動(dòng)機(jī)壁面中，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒場(chǎng)溫度的分布式測(cè)量，并證明了火焰穩(wěn)定器處的壁面溫度相對(duì)較高[9]，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 用于分布式壁面溫度測(cè)量的熱電偶及測(cè)量結(jié)果

1.2 薄膜熱電偶

薄膜熱電偶是通過(guò)制膜工藝將熱電偶直接原位沉積到被測(cè)量物體表面，其厚度僅為幾微米，所以不會(huì)對(duì)被測(cè)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物表面的高精度、瞬時(shí)溫度測(cè)量[10-11]。由于薄膜熱電偶自身的熱慣性小，其響應(yīng)速度極快(微秒量級(jí))，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下瞬時(shí)高溫測(cè)量。

NASA劉易斯研究中心自1975年開(kāi)始便對(duì)鎳鉻-鎳鋁(K型)薄膜熱電偶開(kāi)展研究，其制備的薄膜熱電偶最高測(cè)量溫度達(dá)到1050K，且測(cè)量誤差為9K。圖5即為所設(shè)計(jì)的薄膜熱電偶多層膜結(jié)構(gòu)[12]。

圖5 薄膜熱電偶多層膜結(jié)構(gòu)

1.3 光電測(cè)量法

隨著激光技術(shù)和耐超高溫藍(lán)寶石光纖微加工技術(shù)的發(fā)展，光電測(cè)量成為一種重要的非接觸測(cè)溫手段。

光電測(cè)溫是通過(guò)測(cè)量不同溫度及速度下氣體的透射率、成分和折射率等信息，推算出超高速氣流的燃燒狀態(tài)和溫度場(chǎng)。主要優(yōu)點(diǎn)是侵入性低、對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞小，測(cè)量范圍寬，一般在-50～3000℃之間等。

2005年，美國(guó)密西根大學(xué)利用光纖傳感器，將不同波長(zhǎng)的激光射入超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中并對(duì)輸出光譜進(jìn)行分析，從而得出高溫燃?xì)鉁囟燃皻怏w成分等參數(shù)(見(jiàn)圖6)。通過(guò)測(cè)量燃燒氣流中水蒸氣吸收譜線，分析吸收譜線與溫度的定量化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況下燃燒室的氣流溫度的測(cè)量[13]。

圖6 激光測(cè)量原理圖

2011年，我國(guó)西北核技術(shù)研究所采用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量(見(jiàn)圖7)。通過(guò)與西北工業(yè)大學(xué)合作，在直連式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)上實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)2100K高溫的測(cè)量[14]。

圖7 TDLAS技術(shù)原理圖

1.4 輻射測(cè)量法

輻射是測(cè)量火焰溫度的有效方法?；谄绽士撕隗w輻射理論不同溫度和成分的火焰擁有不同的輻射強(qiáng)度，可以通過(guò)測(cè)量輻射強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的相關(guān)測(cè)量[15]。上海理工大學(xué)聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)，采用光纖光譜儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒火焰參數(shù)的在線測(cè)量(見(jiàn)圖8)，獲得了燃燒溫度與輻射率隨時(shí)間的變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)分析了不同燃燒狀態(tài)下的火焰特性，測(cè)出火焰溫度為1600K[16]。

圖8 光纖輻射測(cè)溫系統(tǒng)

2 熱流測(cè)量

對(duì)于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言，熱流可用于評(píng)估其燃燒效率、優(yōu)化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)和探測(cè)流場(chǎng)脈動(dòng)等研究，因此是極為重要的物理量。然而，超聲速燃燒時(shí)急劇變化的燃燒場(chǎng)、幾MW/m2的大熱流和高溫強(qiáng)沖刷的工作環(huán)境都對(duì)熱流傳感器提出了極高的要求。

2.1 鎧裝熱流計(jì)

與鎧裝熱電偶相比，鎧裝熱流計(jì)的結(jié)構(gòu)多樣，但其基本原理仍是當(dāng)有熱流施加到傳感器表面時(shí)，會(huì)在熱障層的兩端產(chǎn)生溫度差，通過(guò)測(cè)量該溫度差即可獲取所測(cè)熱流量的大小(見(jiàn)圖9)。熱流計(jì)的基本原理是傳熱學(xué)中的傅里葉定律:

(1)

式中：q為熱流密度；ΔT為2等溫面的溫差；δ為2等溫面的厚度差；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖9 熱流計(jì)工作原理圖

2015年，NASA格林研究中心研制了一款可耐960℃高溫的熱流傳感器，用于測(cè)量斯特靈發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)熱流量(見(jiàn)圖10)[17]。

圖10 用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱流傳感器

2012年，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研制了一款采用水冷方式的耐高溫鎧裝熱流計(jì)，有效提升了傳感器的極限耐受溫度和最大熱流[18]。圖11為所研發(fā)的鎧裝熱流計(jì)。通過(guò)在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上的實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了該種傳感器的有效性，其中最高測(cè)量溫度可以達(dá)到1300K，耐受的最大熱流可達(dá)1.8MW/m2，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃燒室內(nèi)壁面熱流的有效測(cè)量。

2015年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用將熱電偶埋置到超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)壁面的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面熱流的測(cè)量。通過(guò)建立起溫度與壁面熱流的本征方程，測(cè)得內(nèi)壁面溫度的值約為2MW/m2[19]。

圖11 Gardon熱流計(jì)示意圖

2.2 薄膜熱流計(jì)

薄膜熱流計(jì)工作原理和傳統(tǒng)熱流計(jì)類似，即通過(guò)測(cè)量熱障層兩端的溫度差，反演熱流量的大小。考慮到超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣的工作環(huán)境，常采用耐高溫材料如鉑-鉑銠、鉑和陶瓷等作為敏感元件，并在表面上覆蓋隔熱層。根據(jù)測(cè)溫單元結(jié)構(gòu)，薄膜熱流計(jì)可分為熱電堆式和電橋式熱流計(jì)2種形式。

熱電堆式薄膜熱流計(jì)采用薄膜熱電偶測(cè)量溫度差，通過(guò)將多對(duì)熱電偶結(jié)合的方式提高輸出熱電勢(shì)，如圖12所示。其研制的主要難點(diǎn)是在耐高溫基底上實(shí)現(xiàn)高精度的熱電堆圖形化、厚度均勻熱障層的制備和對(duì)熱流計(jì)的精確標(biāo)定。

圖12 薄膜熱電堆結(jié)構(gòu)圖

圖13 惠斯通電橋熱流傳感器

電橋式薄膜熱流傳感器是通過(guò)惠斯通電橋測(cè)熱電阻的變化來(lái)測(cè)量溫度差，從而推算出熱流量的大小(見(jiàn)圖13)。但需要注意的是在耐高溫環(huán)境下熱電阻材料的優(yōu)選與成形是該傳感器研制過(guò)程中的主要難點(diǎn)，同時(shí)，熱電阻在高溫環(huán)境下的靈敏度會(huì)顯著降低也是要解決的技術(shù)難點(diǎn)之一。

2002年，NASA 格林研究中心為測(cè)量脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)(PDE)內(nèi)壁熱流設(shè)計(jì)制作了單面的惠斯通電橋式薄膜熱流計(jì)，響應(yīng)時(shí)間常數(shù)達(dá)到7μs，響應(yīng)頻率達(dá)到23kHz，圖14即為所設(shè)計(jì)的電橋式單面薄膜熱流計(jì)[20]。

圖14 電橋式薄膜熱流傳感器

2.3 基于薄膜傳感器的平板法

將薄膜傳感器嵌入平板與高溫來(lái)流接觸的一側(cè)，以獲取瞬時(shí)壁面溫度，并結(jié)合基于一維半無(wú)限大平板傳熱理論的Cook-Felderman 模型，可推算出有效的壁面熱流值。其對(duì)應(yīng)的邊界條件為:

(2)

式中：κ，ρ，c分別為薄膜傳感器基底材料的熱導(dǎo)率，密度和比熱容。對(duì)以上傳熱方程求解，可以推算出壁面熱流與溫度的關(guān)系式如下：

(3)

對(duì)該關(guān)系式進(jìn)一步求解與化簡(jiǎn)，即為Cook-Felderman模型[21-22]：

(4)

式中：qs(τ)和Ts(τ)分別為在τ時(shí)刻的瞬時(shí)壁面熱流與溫度值。

2009年，密西西根大學(xué)通過(guò)將薄膜溫度傳感器與熱圖法相結(jié)合，推算出超高聲速飛行器在馬赫數(shù)為11飛行數(shù)下表面熱流分布情況，如圖15所示[23]。

2015年，西北工業(yè)大學(xué)通過(guò)將薄膜傳感器嵌入平板表面測(cè)量出瞬時(shí)壁溫，并結(jié)合以上的傳熱模型推算出壁面熱流[24]。結(jié)果如圖16所示，其中Ug為流速，Tg-Ts為瞬時(shí)溫度差，qC-F為基于Cook-Felderman模型所推算出的熱流值，qQs-COR為基于準(zhǔn)定常理論計(jì)算出的理論值，其中熱流推算值與理論值符合度較高。

圖16 在振蕩流場(chǎng)中的壁面熱流、流速與溫度差對(duì)比曲線

2.4 紅外與輻射法

隨著紅外熱成像技術(shù)的不斷進(jìn)步，也出現(xiàn)了輻射及紅外測(cè)量方式的熱流測(cè)量。2007年，意大利那不勒斯大學(xué)的研究人員研發(fā)一種紅外掃描測(cè)量輻射計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)馬赫數(shù)為6高速氣流的熱測(cè)量[25]。北京航空航天大學(xué)也研究了一種可用于表面熱流分布式紅外測(cè)試方法的可行性[26]。但輻射測(cè)量法在熱流密度測(cè)試中還存在系統(tǒng)復(fù)雜程度高和難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線測(cè)量等特點(diǎn)，因此，還需要進(jìn)一步展開(kāi)研究。

3 薄膜傳感器研究進(jìn)展

鎧裝傳感器體積大、響應(yīng)速度慢，很難在不影響流場(chǎng)、不破壞被測(cè)結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行快速、準(zhǔn)確測(cè)量。薄膜型傳感器有測(cè)點(diǎn)精密、響應(yīng)快和流場(chǎng)影響小特點(diǎn)。

如上所述，鎧裝熱電偶體積較大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，光電及輻射測(cè)量法的測(cè)試系統(tǒng)較為復(fù)雜，且有時(shí)容易受測(cè)試環(huán)境影響。薄膜傳感器在高溫溫度及熱流的實(shí)時(shí)、原位測(cè)量方面有其優(yōu)勢(shì)。從20世紀(jì)60年代至今，薄膜傳感器得到了研究人員的持續(xù)關(guān)注。

20世紀(jì)90年代，NASA為了驗(yàn)證薄膜熱電偶在高溫瞬時(shí)溫度測(cè)量領(lǐng)域的可行性，將其置于采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模擬的惡劣極端環(huán)境下。薄膜熱電偶材料PT13Rh/Pt(見(jiàn)圖17)，基底材料為超合金、陶瓷、陶瓷復(fù)合材料和金屬間化合物等，其最高測(cè)量溫度達(dá)1000℃，可承受0.1到 2MW/m2的熱流變化[27]。

1993年，Lewis研究中心進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)熱流測(cè)量研究，在Al2O3基底上制備出以SiO2薄膜為熱阻層、Pt和Pt/Rh為感應(yīng)電極的熱流計(jì)，測(cè)試溫度可達(dá)1000℃，其制備出的薄膜熱流計(jì)如圖18所示[28]。

圖17 S型薄膜熱電偶

圖18 Lewis中心研制的薄膜熱流計(jì)

隨著新型材料的不斷出現(xiàn)，耐高溫陶瓷被廣泛地應(yīng)用于高溫惡劣環(huán)境中。相比于傳統(tǒng)金屬材料，陶瓷擁有極小的電遷移率，更高的熔點(diǎn)，更強(qiáng)的抗氧化性能和在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于陶瓷材料的Seebeck系數(shù)較大，其靈敏度也更高。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，NASA劉易斯中心于1998年就開(kāi)始了對(duì)陶瓷薄膜熱電偶的探索工作，所選用的功能層材料如圖19所示，為TiC/TaC[29]。

圖19 TiC/TaC型陶瓷薄膜熱電偶

2005年，羅德島大學(xué)與NASA格林研究中心合作開(kāi)展了對(duì)ITO薄膜熱電偶的相關(guān)研究工作，并持續(xù)研究至今。2010年羅德島大學(xué)深入研究了ITO-Pt的薄膜熱電偶，實(shí)現(xiàn)了對(duì) 1250℃高溫的穩(wěn)定測(cè)量，并擁有良好的復(fù)現(xiàn)性和較大的Seebeck系數(shù)，在1250℃時(shí)輸出電壓可達(dá)60mV[30-31]。

2009年，Glenn研究中心針對(duì)未來(lái)航空航天未來(lái)陶瓷基復(fù)合材料高溫部件熱流的測(cè)量需求，開(kāi)展了SiC基底制備耐高溫薄膜熱流計(jì)的研究。熱電極材料為耐高溫的NiCrAlY和ITO，制備出的薄膜熱流計(jì)如圖20所示。在熱板上進(jìn)行小熱流測(cè)試，溫度達(dá)到500℃[32]。

2015年，美國(guó)空軍研究中心研制了一款薄膜熱流計(jì)用于測(cè)量超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)壁面熱流，并在燃燒氣流速度馬赫數(shù)為5的工況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大熱流達(dá)1.5 MW/m2的壁面熱流測(cè)量[33]。圖21即為該薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)圖。

圖20 Glenn中心研制的薄膜熱流計(jì)

圖21 用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)壁面測(cè)試的薄膜熱流計(jì)

近些年，我國(guó)對(duì)薄膜熱電偶也開(kāi)展了大量研究。西北工業(yè)大學(xué)于2014年和2015年分別研發(fā)一種基于SiC陶瓷的K型薄膜熱電偶和基于Al2O3陶瓷的ITO薄膜熱電偶[34-35]。最高測(cè)量溫度可達(dá)1300℃，并可持續(xù)工作10h。通過(guò)在如圖22所示的曲面結(jié)構(gòu)上制備出ITO薄膜熱電偶，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壁面溫度的原位測(cè)量。

圖22 In2O3:ITO 90/10型陶瓷薄膜熱電偶

通過(guò)對(duì)比其燃燒時(shí)序，獲得了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖23)。

我國(guó)對(duì)薄膜熱流計(jì)也開(kāi)展了研究，并在航空航天領(lǐng)域進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。例如，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所于2008年制備了如圖24所示的同軸式薄膜熱電偶，用于測(cè)量高超聲速激波風(fēng)洞中的傳熱過(guò)程。該激波風(fēng)洞利用雙向爆轟產(chǎn)生馬赫數(shù)為6.2、總壓為2MPa、總溫為3200K的流場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為17ms。通過(guò)傳感器測(cè)量脈沖激波溫度變化過(guò)程，通過(guò)傳熱模型計(jì)算出熱流大小[36]。

圖23 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁面溫度

圖24 電橋式薄膜熱流傳感器

4 結(jié) 論

針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)高溫及熱流的測(cè)量需求，光電及輻射非接觸式測(cè)量不破壞燃燒流場(chǎng)，但是測(cè)試系統(tǒng)較為復(fù)雜，安裝調(diào)試比較困難。鎧裝傳感器提升傳感器生存性能的同時(shí)，也一定程度上犧牲了測(cè)量準(zhǔn)確性與響應(yīng)時(shí)間。

隨著薄膜傳感器研制水平的不斷提升，耐高溫薄膜熱電偶及熱流計(jì)受到廣泛關(guān)注，在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的航空航天高溫瞬時(shí)精密測(cè)試領(lǐng)域有重要應(yīng)用潛力，并有望作為實(shí)時(shí)在線測(cè)量技術(shù)，支持發(fā)動(dòng)機(jī)的故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)。

致謝:項(xiàng)目得到預(yù)研領(lǐng)域基金重點(diǎn)項(xiàng)目(6140923020316HK03001)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015CB057400)、國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013YQ040911)支持，在此表示感謝。

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