高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统及方法，该系统包括：高温激光毁伤反应腔、高功率中频感应加热器、多组分供气子系统、真空子系统、高功率光纤耦合激光控制子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统，本发明专利技术采用高温激光毁伤反应腔、多组分供气子系统及真空子系统为被测样品提供低压环境，并可调节环境气氛，通过高功率中频感应加热器以感生电流的方式对高温激光毁伤反应腔内的被测样品加载高温，通过高功率光纤耦合激光控制子系统提供高能的激光照射被测样品，并利用材料响应测试子系统监测被测样品的表面、背面温度，拍摄被测样品表面毁伤程度，能够地面模拟高温低压环境下高能激光打击毁伤热防护材料。打击毁伤热防护材料。打击毁伤热防护材料。

【技术实现步骤摘要】
高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统及方法


[0001]本专利技术涉及地面模拟测试
，尤其涉及一种高温低压环境下激光毁伤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，经过六十余年的发展，高超声速飞行器已经形成了高超声速巡航、再入滑翔以及天地往返三个主要发展方向，各型号成功进行了多次飞行试验。由于高超声速的飞行能力，高超声速飞行器的出现对于现有防空体系提出了巨大的挑战。现有防空反导体系是基于飞机及弹道导弹等传统武器系统建立的，对于高超声速目标，虽然可以进行预警，但火控系统无法对其进行有效的跟踪与制导，防空导弹的机动性等性能也无法满足拦截高超声速目标的需要，现有防空反导体系效能面临清零的危险。为应对高超声速飞行器的威胁，需要发展新型防御系统。激光系统具有反应迅速、火力转移快、拦截率高、效费比高等特点，具有对抗高超声速飞行器的潜力，有望成为未来反高超声速飞行器防空体系的关键环节。
[0003]高超声速飞行器在大气层中飞行时，其动能由于强烈的激波压缩和粘性耗散而大量地转化为热能，使得周围流场温度达到几千甚至是上万度，此时，作为保证飞行器气动外形和飞行走廊的热防护材料将面临复杂气氛、低压和高温的恶劣环境。一旦热防护材料出现烧蚀、损坏，将直接导致飞行任务失败。因此，利用高能激光打击高超声速飞行器，实际上就是打击飞行器最外层的热防护材料，使其破坏、毁伤，导致热防护失效，进而成功拦截高超声速飞行器。而若想实现这一目的，首先需要开展相应的地面模拟实验，模拟测试飞行器热防护材料在复杂气氛、高温、低压环境下遭受激光打击的行为。遗憾的是，目前为止，还没有一种能够模拟高超声速飞行时，飞行器表面热防护材料在高温(温度1000～2500℃以上)、低压环境(10～10000Pa)下遭受到高能激光打击的试验装置，无法实现对飞行条件下热防护材料激光打击毁伤的表征与评价。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种能够对高温、低压下热防护材料进行高能激光打击毁伤的地面模拟试验系统及方法，通过同时对防热材料施加高温、低压、高能激光载荷，形成热/低氧分压/激光耦合加载，进而实现高速飞行时热防护材料遭受到高能激光打击的地面模拟。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，包括：
[0006]高温激光毁伤反应腔、高功率中频感应加热器、多组分供气子系统、真空子系统、高功率光纤耦合激光控制子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统；
[0007]所述高温激光毁伤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，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，用于承载被测样品；
[0008]所述高功率中频感应加热器包括感应加热装置和感应线圈，所述感应加热装置设于所述反应腔体外部，所述感应线圈设于所述样品台上方，并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，用于形成感生电流，实现对被测样品的加热；
[0009]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；
[0010]所述真空子系统包括机械泵和压力传感器，所述机械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，用于提供低压环境，所述压力传感器用于监测气压；
[0011]所述高功率光纤耦合激光控制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，垂直入射所述样品台承载的被测样品；
[0012]所述材料响应测试子系统包括第一红外测温仪、第二红外测温仪和高速相机，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，
[0013]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，
[0014]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以及所述样品台的纵向观测通孔，测量被测样品远离准直激光一侧的背面温度，
[0015]所述高速相机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，观测被测样品朝向准直激光一侧的表面形貌，且设有组合滤光片，相当于在高速相机镜头前加上一组滤光片；
[0016]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；
[0017]所述集成控制子系统与所述高温激光毁伤反应腔、所述高功率中频感应加热器、所述多组分供气子系统、所述真空子系统、所述高功率光纤耦合激光控制子系统、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。
[0018]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。
[0019]优选地，所述感应线圈的直径范围为10～200mm。
[0020]优选地，所述供气装置包括氮气、氧气以及氩气三路气瓶，均通过所述进气电磁阀连接所述环形进气管道。
[0021]优选地，所述环形进气管道的直径与所述所述反应腔体相匹配，所述环形进气管道均匀开设有多个气孔，各所述气孔直径为0.01mm。
[0022]优选地，所述半导体激光器输出的激光波长为1080nm，功率密度高达3
×
107w/m2，经过激光准直镜头后可实现≮60min连续平顶激光输出，直径10～30mm可调，光斑均匀性>95％；所述第一红外测温仪的测温波段波长大于1.1μm。
[0023]优选地，所述机械泵通过波纹管、抽气管道连接所述抽气法兰，所述波纹管与所述抽气管道通过旁通阀连接，所述抽气管道上还设有放气阀。
[0024]优选地，所述红外增透膜石英窗采用与所述半导体激光器输出激光相匹配的石英基体，所述石英基体内、外两侧均镀有红外增透膜，对所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温低压环境下激光毁伤地面模拟测试系统，其特征在于，包括：高温激光毁伤反应腔、高功率中频感应加热器、多组分供气子系统、真空子系统、高功率光纤耦合激光控制子系统、材料响应测试子系统、水冷子系统和集成控制子系统；所述高温激光毁伤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，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，用于承载被测样品；所述高功率中频感应加热器包括感应加热装置和感应线圈，所述感应加热装置设于所述反应腔体外部，所述感应线圈设于所述样品台上方，并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，用于形成感生电流，实现对被测样品的加热；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；所述真空子系统包括机械泵和压力传感器，所述机械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，用于提供低压环境，所述压力传感器用于监测气压；所述高功率光纤耦合激光控制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，垂直入射所述样品台承载的被测样品；所述材料响应测试子系统包括第一红外测温仪、第二红外测温仪和高速相机，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以及所述样品台的纵向观测通孔，测量被测样品远离准直激光一侧的背面温度，所述高速相机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，观测被测样品朝向准直激光一侧的表面形貌，所述高速相机镜头前设有滤光片；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；所述集成控制子系统与所述高温激光毁伤反应腔、所述高功率中频感应加热器、所述多组分供气子系统、所述真空子系统、所述高功率光纤耦合激光控制子系统、所述材料响应测试子系统以及所述水冷子系统...

【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：