王美玲，常 海，尹 佳

（北京科技大學國家材料服役安全科學中心，北京?100083）

當飛行器在稠密大氣中作超音速飛行時，受激波與機體間高溫壓縮氣體的加熱和機體表面與空氣強烈摩擦的影響，飛行器蒙皮的溫度會隨飛行馬赫數(shù)（Ma）的提高而急劇上升，航空界把飛行器作高速飛行時所遭遇到的這種高溫情況稱之為“熱障”[1-2]。

氣動加熱造成的“熱障”具有瞬態(tài)（短時）高溫的特征[3]，這種瞬態(tài)高溫環(huán)境有別于穩(wěn)態(tài)（長時）高溫的作用，會對飛行器結構材料性能產生重要的影響。在這一過程中，飛行器結構材料的機械強度不僅受到溫度、時間的影響，而且與升溫速率密切相關[4-11]。因此，飛行器結構材料常規(guī)的穩(wěn)態(tài)（長時）高溫力學性能已不能體現(xiàn)其在“熱障”環(huán)境下的特征。

在飛行器設計和研制過程中，為確保飛行器結構材料能經(jīng)得起高速飛行時“熱障”所產生的熱沖擊及高溫熱應力破環(huán)，必須對材料進行該環(huán)境下的熱強度分析。然而，由于溫度和時間因素的共同參與，“熱障”環(huán)境下材料的強度問題變得極其復雜，同時受物質慣性的影響，瞬態(tài)高溫條件下，“瞬態(tài)”給予材料的能量來不及改變材料的承力系統(tǒng)，即分子的微觀結構和內聚力[12]。這種情況下，雖然從量子力學的微觀分析可以獲得各種情況下材料機械強度的定性結果，但真正準確有效的數(shù)據(jù)必須依靠材料瞬態(tài)高溫環(huán)境下的熱機械性能測試來獲得。

因此，真實模擬飛行器結構材料高速飛行過程中的氣動熱環(huán)境，開展其快速升溫高溫條件下的熱強度試驗，測試并確定材料該環(huán)境下的強度極限等關鍵參數(shù)，對飛行器結構材料的壽命預測、可靠性評估以及飛行器的安全設計有著非常重要的意義。本文在大量文獻查閱調研和技術考察咨詢的基礎上，概述了快速升溫高溫條件下材料力學性能測試技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎上，提出了在快速升溫高溫條件下，材料力學性能測試進一步的發(fā)展方向。

1??快速升溫高溫條件下材料力學性能測試的發(fā)展

1948 年美國海軍軍械試驗站開始研究有關溫升率對金屬性能影響的試驗方法，并在3年內研制出了直流電焊機電流加熱試驗機和交流電焊機電流加熱試驗機[4]，這可以看作是快速升溫高溫條件下材料力學性能測試的開端?；谶@兩種試驗機的“高溫升率試驗方法”很快得到了美國軍方的承認，并利用其對多種導彈用金屬材料的高溫和高溫升率效應進行了測試，獲得了大量實用的工程設計數(shù)據(jù)。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，在上述試驗技術的基礎上，自20世紀60年代起，國外根據(jù)工程應用的實際需求開始建立大規(guī)模的熱環(huán)境模擬實驗室[13]。這些熱環(huán)境模擬實驗室不僅能夠開展飛行器結構材料服役環(huán)境下的力學性能測試，更重要的是可以進行飛行器結構服役環(huán)境下的承熱能力的分析。

20世紀80年代末90年代初，隨著飛行器速度的進一步提高，氣動加熱問題變得更加嚴重。尤其是在美國NASP（空天飛機）和HSCT（美國高速民用運輸機）預研計劃出臺后，飛行器結構材料熱環(huán)境試驗出現(xiàn)了新的問題，這引起了美國航空局的重視。之后，包括快速升溫高溫條件下材料力學性能測試技術在內的航空飛行器材料及其結構的熱試驗技術得到了空前的發(fā)展[14]。目前，美國、德國和俄羅斯均已建成可模擬飛行器服役環(huán)境的材料和結構熱環(huán)境實驗室和研究中心。并且，1993年美國在能源部的支持下，編寫了熱模擬試驗設備手冊，對材料熱強度試驗技術進行了規(guī)范[14-15]。

由于快速升溫高溫條件下的新型飛行器結構材料的性能試驗和測試數(shù)據(jù)涉及到高速飛機、導彈、航天飛行器等軍事項目，美國、北大西洋公約組織和俄羅斯的許多研究成果和試驗數(shù)據(jù)，屬于嚴格保密的內容，均未公開發(fā)表，國內能夠參考、借鑒的技術幾乎沒有。20世紀60年代，中國工程院力學研究所，本著自力更生的精神，在吸收、消化國外技術的基礎上，從土到洋，逐步改進，經(jīng)過多種方案性試驗，研制出了一套可用于飛行器材料短時高溫力學性能測試的拉伸試驗設備，并對低碳鋼、不銹鋼等幾種金屬材料進行了短時高溫拉伸、蠕變，恒載荷等加熱率試驗，得到了這些材料高溫短時力學性能的定量結果[16]。

在中國工程院力學研究所的工作基礎上，國內的很多家單位，包括：北京強度環(huán)境研究所、北京航空航天大學航空科學與工程學院、北京大學力學與工程物理系等也陸續(xù)開展了快速升溫高溫條件下材料力學性能測試的研究工作。這些單位根據(jù)工程實際的需要，在現(xiàn)有力學性能試驗機的基礎上，開發(fā)出了多套可用于快速升溫高溫條件下材料力學性能測試的裝置，對5A06鎂合金、LY12 鋁合金、J75不銹鋼、2A12鋁合金、A3鋼等材料快速升溫高溫條件下的力學性能進行了測試，并對這幾種金屬材料力學性能的溫升率效應做了初步的試驗性的分析[17-20]。

2??快速升溫高溫條件下材料力學性能測試常用技術

圖1 熱載聯(lián)合試驗系統(tǒng)示意圖

在快速升溫高溫條件下，材料力學性能測試設備實際上是一個能夠模擬高速飛行器瞬態(tài)氣動熱環(huán)境的熱載聯(lián)合試驗系統(tǒng)，圖1為該系統(tǒng)的示意圖。在這一系統(tǒng)中，主要包括三大關鍵技術：加熱技術、溫度測量技術和應變測量技術。

2.1??加熱技術

隨著飛行器飛行速度的不斷提高，以及各種新型加熱技術的研發(fā)，快速升溫高溫條件下材料力學性能測試熱載聯(lián)合試驗系統(tǒng)中的加熱技術也在不斷地發(fā)展，先后出現(xiàn)了電阻/高頻感應瞬態(tài)加熱技術，以石英燈、石墨等為加熱元件的輻射加熱技術，以及以高溫、高壓燃氣為熱源的對流加熱技術等。

電阻和高頻感應加熱技術早期由于技術相對成熟，操作方便，加熱溫度易于控制等優(yōu)點[21-23]被應用于快速升溫高溫條件下材料力學性能測試裝置的加熱系統(tǒng)中。隨著飛行器速度的不斷提高，材料熱試驗對加熱溫度和升溫速率的要求不斷提高，同時，先進結構材料，比如碳碳復合材料、陶瓷材料等的出現(xiàn)，使得電阻和感應加熱技術的缺點越來越明顯，試驗過程中某些材料的升溫質量得不到保證，甚至根本不能滿足試驗要求，電阻和感應加熱技術逐漸部分的被新技術取代。

以石英燈作為加熱源的高紅外輻射加熱技術20世紀70年代誕生于美國，最早是美國宇航局（NASA）用于模擬人造衛(wèi)星接近太陽時，衛(wèi)星表面溫度快速上升到2000℃的升溫過程。70年代中期，為了進行航天飛機飛返大氣層時與空氣摩擦產生高溫的試驗，高紅外加熱技術被用來模擬航天飛機表面溫度由-273℃低溫迅速升溫到1800℃高溫的過程。之后不久，為滿足高超聲速飛行器飛行過程中的試驗驗證要求，美國開始研制以石墨為加熱元件的輻射加熱系統(tǒng)，以及電弧燈加熱系統(tǒng)[24]，同期以高溫、高壓燃氣為熱源的對流加熱技術也被用于飛行器結構地面熱模擬試驗中。

由于紅外輻射加器加熱慣性小，電控性能優(yōu)良，可以很好地模擬各種材料在運行時的熱強度環(huán)境，真實復現(xiàn)氣動加熱的能量交換過程，而且具有尺寸小、功率高、安裝靈活等優(yōu)點[25-26]。所以，雖然已出現(xiàn)石墨輻射加熱和對流加熱等新技術，快速升溫高溫條件下材料力學性能測試熱載聯(lián)合試驗系統(tǒng)中，目前紅外輻射加熱仍是除電阻和高頻感應加熱外的主流加熱方式。

2.2??溫度測量技術

快速升溫高溫條件下材料力學熱載聯(lián)合試驗系統(tǒng)中，金屬材料的溫度測量一般采用常規(guī)的熱電偶測量技術，通常用電阻壓焊方式把熱電偶焊在金屬表面，進行快速升溫過程中的溫度測量。

熱電偶具有構造簡單、適用溫度范圍廣、使用方便、承受熱以及機械沖擊能力強等特點，常被用在高溫、大振動沖擊等惡劣環(huán)境以及微小結構等測溫場合。然而，在快速升溫過程中，溫度隨時間變化迅速，由于感溫元件的熱慣性以及有限的熱傳導率，熱電偶在溫度測量過程中會出現(xiàn)所謂的動態(tài)響應誤差[27]。由于動態(tài)響應誤差的存在，大多數(shù)常規(guī)熱電偶并不適合測量快速升溫過程中的溫度變化。為了減小熱電偶的動態(tài)響應誤差，科研技術人員在熱電偶動態(tài)校準方面開展了大量的研究工作[28，29]，通過動態(tài)補償技術來提高常規(guī)熱電偶的響應時間。

除此之外，隨著技術的不斷發(fā)展，還出現(xiàn)了很多能夠滿足快速升溫高溫條件下溫度測量要求的新技術，藍寶石光纖溫度傳感器就是其中一種。1983年，美國R.R.Dils博士首先研制成功了藍寶石單晶光纖溫度傳感器，這種傳感器具有傳統(tǒng)熱電偶所不能及的高溫穩(wěn)定性及響應速度，為瞬態(tài)高溫接觸式測溫開辟了一片新天地[30]。藍寶石單晶光纖溫度傳感器1988年獲美國專利，美國國家標準局已將其作為630～1064℃溫度范圍內新的測溫標準。近幾年，美國、英國、法國、德國和日本等國家均開始研發(fā)藍寶石光纖溫度傳感器，并不同程度進入了實用化的階段，例如，美國Luxtron公司的生產藍寶石光纖溫度傳感器短時工作溫度可以達到2000℃，響應時間為毫秒級。

國內清華大學、浙江大學以及西安電子科技大學等高校也開展了藍寶石光纖溫度傳感器的研究工作。其中，清華大學1989年申請的專利產品測溫范圍為400～1300℃，測溫精度0.1%，靈敏度0.1℃，動態(tài)響應時間也可到毫秒級[30]。

雖然藍寶石光纖溫度傳感器有著非常優(yōu)異的性能，但目前研究的重點是高溫傳感，其用于瞬態(tài)高溫測量的結構、靜態(tài)標定、動態(tài)特性測試、測試數(shù)據(jù)處理方法等理論和技術問題還有待進一步的解決，所以，該傳感器在快速升溫高溫條件下的使用需要一定的時間。

2.3??應變測量技術

應變電測技術具有測量精度高、使用方便、成本低等優(yōu)點，并且對于一般高溫條件下的靜態(tài)、動態(tài)應變測量，測試方法和數(shù)據(jù)處理相對簡單。目前，在快速升溫高溫條件下，材料力學性能測試熱載聯(lián)合試驗系統(tǒng)中最常用應變測量仍為傳統(tǒng)的應變電測技術。

與熱電偶溫度測量類似，在快速升溫高溫條件下，應變電測技術同樣存在兩個方面的測量誤差：一方面是應變電測技術的熱輸出誤差；另一方面是應變電測技術的動態(tài)響應誤差。為了提高應變電測技術的測量精度，國內外科研技術人員開展了大量的研究工作。一方面，在傳統(tǒng)的溫度自補償式應變技術的基礎上，提出雙片工作方式的全新技術思路：應變測試時，在測點同一位置粘貼兩片同類型應變片，一片作為工作片測量測點部位的全變形量，另一片受溫度影響但不傳力，作應變橋的一個臂，以消除快速升溫對應變電測熱輸出精度的影響；另一方面，為解決應變電測技術的動態(tài)響應誤差，提出了多種快速加熱條件下高溫應變測量誤差修正方法[31-32]。

除對傳統(tǒng)應變電測技術進行改進外，為了適應飛行器技術的發(fā)展，在材料快速升溫高溫條件下力學性能測試中，也出現(xiàn)了一些應變測量新技術，其中激光高溫應變測量技術和ESPI三維全場光學應變測量技術已得到了實際的應用。

3??快速升溫高溫條件下材料力學性能測試發(fā)展方向

3.1??測量技術的更新

前面已經(jīng)提到，飛行器飛行過程中蒙皮的溫度會隨飛行馬赫數(shù)（Ma）的提高而急劇上升。飛行 Ma數(shù)為 2.0時，機頭處的溫度略高于100℃，而當 Ma數(shù)等于3.0時，飛行器表面的溫度則可快速升至350℃左右，Ma數(shù)為5.0的導彈在大氣層中飛行時，其殼體表面駐點溫度瞬間可高達1029℃。高超聲速飛行器一般指的是5倍聲速以上，即馬赫數(shù)大于5.0的空天飛行器，在這一速度下，目前所用的常規(guī)溫度和應變測量技術都已不能滿足快速升溫高溫條件下材料力學性能測試試驗的要求。為了適應高超聲速飛行器結構材料性能測試要求，必須改進現(xiàn)有技術，或大力探索測量新技術在快速升溫高溫條件下材料力學性能測試系統(tǒng)中的應用。

北京科技大學在自主研發(fā)的以“空氣預熱+富氧燃燒”為核心加熱功率的集束射流氣動加熱環(huán)境模擬實驗艙的基礎上，采用傳統(tǒng)的電液伺服加載系統(tǒng)，并引入基于激光散斑的非接觸式變形和紅外表面溫度測量技術，開發(fā)出了氣動熱環(huán)境下的材料力學性能測試裝置。該裝置不僅能夠再現(xiàn)飛行器實際服役氣動熱環(huán)境，而且可實現(xiàn)快速升溫高溫條件下飛行器結構材料溫度、變形的精確測量，獲得其“熱障”環(huán)境下的真實強度信息[33]。

3.2??測試標準化

目前，國內快速升溫高溫條件下材料力學性能測試系統(tǒng)，均為各單位根據(jù)自身的科研試驗條件組裝或自主研發(fā)，所用的加熱設備、測溫技術以及力學加載裝置都不盡相同。比如：J75不銹鋼的性能測試過程中，加熱設備采用的是自制大電流瞬態(tài)加熱設備，性能測試在Instron1196試驗機上來完成；5A06鎂合金、2A12鋁合金的性能測試過程中，加熱設備采用的是紅外輻射加熱爐，性能測試在MTS試驗機上來完成；而LY12 鋁合金、A3鋼的性能測試則利用Gleeble 1500 熱模擬試驗機來完成，Gleeble 1500熱模擬機自帶的加熱方式是大電流直接電阻加熱。另一方面，性能測試的標準，比如樣品大小、加載方式等也無章可循。這些都導致材料性能測試結果的可靠性和可比性得不到保證。

所以，必須綜合考慮現(xiàn)有的測試技術的優(yōu)缺點，結合行業(yè)的實際需求，建立快速升溫高溫條件下材料力學性能測試標準，其中包括設備手冊、測試標準、測試規(guī)范等，為快速升溫高溫條件下材料力學性能數(shù)據(jù)庫的建立提供可靠性保障，使快速升溫高溫條件下材料力學性能測試更好地服務于飛行器結構材料壽命預測、可靠性評估以及飛行器的安全設計。

3.3??基礎理論研究

新材料是諸多高新技術的物質基礎和先導，高超聲速飛行器技術也不例外。在快速升溫高溫條件下，材料力學性能測試的前期工作主要是行業(yè)性特需材料的性能試驗，缺乏基礎理論研究，對快速升溫高溫條件下材料力學性能的復雜現(xiàn)象沒有一個統(tǒng)一的物理解釋和數(shù)學模型。今后還需要進一步拓展各類材料的試驗研究，在足夠多的可靠性試驗數(shù)據(jù)基礎上不斷地深化和完善理論，形成更強、更明確的規(guī)律性認識，包括：熱-力-材料耦合理論建模和數(shù)值模擬，從材料分子-微結構-宏觀幾何尺寸的理論建模和數(shù)值模擬等，充分認識快速升溫高溫條件下材料力學性能的物理本質，為飛行器結構新材料的優(yōu)化設計提供理論基礎。

4??結論

快速升溫高溫條件下材料力學性能能夠很好地模擬飛行器飛行過程中的“瞬態(tài)”高溫特征，獲取材料真實氣動熱環(huán)境下的強度信息。在現(xiàn)有常規(guī)技術基礎上，研究符合“瞬態(tài)”高溫環(huán)境測試要求的全新高精度技術在快速升溫高溫條件下材料力學性能測試方法中的適用性，建立更加可靠的測試方法并標準化，形成較為完善的熱-力-材料耦合基礎理論體系，對飛行器結構及其材料的優(yōu)化設計、可靠性評估有著非常重要的意義。