热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统技术方案

本发明专利技术涉及一种热防护材料热

【技术实现步骤摘要】
热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统


[0001]本专利技术涉及多场耦合地面模拟测试
，尤其涉及一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面模拟测试系统及方法。

技术介绍

[0002]高超声速飞行器是指飞行速度大于马赫数5以上的飞行器，近年来，一些国家的高超声速飞行器已陆续试飞成功，成为空天攻防对抗中的潜在威胁。高超声速飞行器的出现，大幅度提高了对防御系统预警能力、目标精确探测难度、对抗拦截的机动过载，以及对拦截弹高精度制导控制的要求，对传统的防空体系造成极大挑战。高能激光因其反应迅速、火力转移快、拦截率高，且配置灵活的优势，有望成为未来拦截高超声速飞行器最有力的手段。
[0003]对于高超声速飞行器而言，高速飞行时主要面临气动热、气动力以及复杂气氛的恶劣环境，作为最外保护层的热防护材料将遭受到高温、氧化和力联合加载的多物理场载荷。如果此时再受到高能激光的拦截打击，将面临热-力-氧-激光多场耦合作用。为了研制可抗激光打击的新一代高超声速飞行器，需要热防护材料通过这种热-力-氧-激光多场耦合载荷的考核，在筛选飞行器热防护材料、设计结构时，都需要在这种耦合实验条件下对材料、结构的响应特征进行测试，从而获得材料性能衰退、失效的准确结果。因此，不管是研究飞行器抗激光打击能力，还是研制适用于抗激光武器拦截的新型热防护材料，在地面开展模拟真实环境的热-力-氧-激光多场耦合载荷测试是前提和基础。
[0004]目前，现有技术中尚没有一种能够实现热(温度场)、力(力场)、氧(环境场)、激光(激光场)多载荷同时加载，且各载荷独立调节和控制的模拟系统，这里涉及到高温加载、应力加载、激光传输以及真空、密封、绝缘等诸多物理场的干涉和矛盾，常规的测试装置难以满足要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对高超声速飞行器遭受高能激光打击时面临的高温、复杂气氛、激光打击以及气动力联合加载，提供一种能够在地面模拟这种热-力-氧-激光打击多场耦合加载的测试系统及方法，以实现获取热防护材料在遭受到这种多场耦合加载时的温度、力学特性响应，为表征材料性能衰减提供测试平台和关键数据，同时也为抗激光打击的热防护材料提供评价与考核平台。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，包括：
[0007]复杂气氛反应腔、感应加热子系统、力学加载子系统、多组分供气子系统、真空抽气子系统、大功率激光加载子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统；
[0008]所述复杂气氛反应腔包括反应腔体和样品台，所述反应腔体为中空圆柱结构，且设有带观察窗的取样舱门，所述样品台开设有沿所述反应腔体的中轴线方向的纵向观测通孔，所述样品台水平设置于所述反应腔体内部；
[0009]所述感应加热子系统包括感应加热装置、加热体和感应线圈，所述感应加热装置设于所述反应腔体外部，所述加热体设于所述样品台上，且中心开设有纵向的通孔，所述感应线圈套设于所述加热体，且所述感应线圈的两个开放端均穿过设于所述反应腔体侧壁的绝缘真空法兰，与所述感应加热装置连接；
[0010]所述力学加载子系统包括万能力学试验机、两个高温合金夹头和两个位移杆，两个所述高温合金夹头水平间隔设置，分别用于夹持承载在所述加热体上的被测样品相对的两端，其中一个所述高温合金夹头通过一个所述位移杆水平连接所述万能力学试验机的试验机定横梁，另一个所述高温合金夹头通过另一个所述位移杆水平连接所述万能力学试验机的试验机移动横梁，并能够跟随所述试验机移动横梁移动；所述位移杆通过密封水冷法兰穿设在所述反应腔体的侧壁上，所述密封水冷法兰与所述万能力学试验机之间通过真空波纹管连接，所述真空波纹管套设在所述位移杆外侧；
[0011]所述多组分供气子系统包括供气装置和环形进气管道，所述供气装置设于所述反应腔体外部，包括至少一路气瓶，通过设于所述反应腔体侧壁的进气电磁阀连接所述环形进气管道，所述环形进气管道设于所述反应腔体内部，位于所述样品台上方，且中轴线与所述反应腔体的中轴线重合，所述环形进气管道开设有多个气孔，用于向所述反应腔体内部供气；
[0012]所述真空抽气子系统包括分子泵，所述分子泵通过设于所述反应腔体侧壁的抽气法兰与所述反应腔体内部连通，用于调节所述反应腔体内部气氛；
[0013]所述大功率激光加载子系统包括半导体激光器、高功率传输光纤和激光准直镜头，所述半导体激光器的输出端通过所述高功率传输光纤连接至所述激光准直镜头，所述激光准直镜头设于所述反应腔体顶部外侧，且出射光轴与所述反应腔体的中轴线重合，所述激光准直镜头出射的准直激光穿过设于所述反应腔体顶部的红外增透膜石英窗，垂直入射被测样品；
[0014]所述材料响应测试子系统包括第一红外测温仪、第二红外测温仪、高速运动分析仪、DIC全场应变测量仪和应变片，
[0015]所述第一红外测温仪的测温波段与所述半导体激光器输出激光的波段不同，所述第一红外测温仪设于所述反应腔体顶部外侧，且入射光轴与所述反应腔体的中轴线偏差角度为4～6
°
，所述第一红外测温仪用于透过设在所述反应腔体顶部的第一红外测温窗口，测量被测样品朝向准直激光一侧的表面温度，所述第一红外测温窗口位于红外增透膜石英窗一侧，
[0016]所述第二红外测温仪设于所述反应腔体底部外侧，且入射光轴与所述反应腔体的中轴线重合，所述第二红外测温仪用于透过设在所述反应腔体底部的第二红外测温窗口，测量被测样品远离准直激光一侧的背面温度，
[0017]所述高速运动分析仪位于所述激光准直镜头一侧，用于透过设在所述反应腔体顶部的表面形貌监测窗口，观测被测样品的表面形貌变化；
[0018]所述DIC全场应变测量仪设于所述反应腔体外部，用于透过设置在所述取样舱门上的观察窗，获取非接触式DIC应变测试数据；所述应变片粘贴于被测样品表面，用于获取接触式应变测试数据；
[0019]所述水冷子系统包括多条循环水冷管道，所述水冷子系统用于通过所述循环水冷
管道对所述反应腔体、所述样品台、所述感应线圈、所述半导体激光器、所述激光准直镜头、所述红外增透膜石英窗、所述第一红外测温窗口、所述第二红外测温窗口、所述表面形貌监测窗口进行水冷降温；
[0020]所述集成控制子系统与所述复杂气氛反应腔、所述感应加热子系统、所述力学加载子系统、所述多组分供气子系统、所述真空抽气子系统、所述大功率激光加载子系统、所述材料响应测试子系统以及所述水冷子系统均信号连接，用于采集数据，生成相应的控制指令并发送。
[0021]优选地，所述样品台通过移动平台设于所述反应腔体内部，所述移动平台能够沿所述反应腔体的中轴线方向移动；所述水冷子系统用于通过所述循环水冷管道对所述移动平台进行水冷降温。
[0022]优选地，所述加热体的最大直径不超过200mm，所述感应加热装置最大功率120kW。
[0023]优选地，所述供气装置至少包括氮气、氧气两路气瓶，均通过所述进气电磁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统，其特征在于，包括：复杂气氛反应腔、感应加热子系统、力学加载子系统、多组分供气子系统、真空抽气子系统、大功率激光加载子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统；所述复杂气氛反应腔包括反应腔体和样品台，所述反应腔体为中空圆柱结构，且设有带观察窗的取样舱门，所述样品台开设有沿所述反应腔体的中轴线方向的纵向观测通孔，所述样品台水平设置于所述反应腔体内部；所述感应加热子系统包括感应加热装置、加热体和感应线圈，所述感应加热装置设于所述反应腔体外部，所述加热体设于所述样品台上，且中心开设有纵向的通孔，所述感应线圈套设于所述加热体，且所述感应线圈的两个开放端均穿过设于所述反应腔体侧壁的绝缘真空法兰，与所述感应加热装置连接；所述力学加载子系统包括万能力学试验机、两个高温合金夹头和两个位移杆，两个所述高温合金夹头水平间隔设置，分别用于夹持承载在所述加热体上的被测样品相对的两端，其中一个所述高温合金夹头通过一个所述位移杆水平连接所述万能力学试验机的试验机定横梁，另一个所述高温合金夹头通过另一个所述位移杆水平连接所述万能力学试验机的试验机移动横梁，并能够跟随所述试验机移动横梁移动；所述位移杆通过密封水冷法兰穿设在所述反应腔体的侧壁上，所述密封水冷法兰与所述万能力学试验机之间通过真空波纹管连接，所述真空波纹管套设在所述位移杆外侧；所述多组分供气子系统包括供气装置和环形进气管道，所述供气装置设于所述反应腔体外部，包括至少一路气瓶，通过设于所述反应腔体侧壁的进气电磁阀连接所述环形进气管道，所述环形进气管道设于所述反应腔体内部，位于所述样品台上方，且中轴线与所述反应腔体的中轴线重合，所述环形进气管道开设有多个气孔，用于向所述反应腔体内部供气；所述真空抽气子系统包括分子泵，所述分子泵通过设于所述反应腔体侧壁的抽气法兰与所述反应腔体内部连通，用于调节所述反应腔体内部气氛；所述大功率激光加载子系统包括半导体激光器、高功率传输光纤和激光准直镜头，所述半导体激光器的输出端通过所述高功率传输光纤连接至所述激光准直镜头，所述激光准直镜头设于所述反应腔体顶部外侧，且出射光轴与所述反应腔体的中轴线重合，所述激光准直镜头出射的准直激光穿过设于所述反应腔体顶部的红外增透膜石英窗，垂直入射被测样品；所述材料响应测试子系统包括第一红外测温仪、第二红外测温仪、高速运动分析仪、DIC全场应变测量仪和应变片，所述第一红外测温仪的测温波段与所述半导体激光器输出激光的波段不同，所述第一红外测温仪设于所述反应腔体顶部外侧，且入射光轴与所述反应腔体的中轴线偏差角度为4～6
°
，所述第一红外测温仪用于透过设在所述反应腔体顶部的第一红外测温窗口，测量被测样品朝向准直激光一侧的表面温度，所述第一红外测温窗口位于红外增透膜石英窗一侧，所述第二红外测温仪设于所述反应腔体底部外侧，且入射光轴与所述反应腔体的中轴线重合，所述第二红外测温仪用于透过设在所述反应腔体底部的第二红外测温窗口，测量被测样品远离准直激光一侧的背面温度，所述高速运动分析仪位于所述激光准直镜头一侧，用于透过设在所述反应腔体顶部的
表面形貌监测窗口，观测被测样品的表面形貌变化；所述DIC全场应变测量仪设于所述反应腔体外部，用于透过设置在所述取样舱门上的观察窗，获取非接触式DIC应变测试数据；所述应变片粘贴于被测样品表面，用于获取接触式应变测试数据；所述水冷子系统包括多条循环水冷管道，所述水冷子系统用于通过所述循环水冷管道对所述反应腔体、所述样品台、所述感应线圈、所述半导体激光器、所述激光准直镜头、所述红外增透膜石英窗、所述第一红外测温窗口、所述第二红外测温窗口、所述表面形貌监测窗口进行水冷降温；所述集成控...

【专利技术属性】
技术研发人员：金华，张结艳，白光辉，张璐，尤延铖，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：