[发明专利]一种烧蚀碳层表面温度测量控制方法及装置

说明书

一种烧蚀碳层表面温度测量控制方法及装置，通过分别独立控制平面加热器、环状加热器的加热功率实现两个方向上传热热流的独立可控；采用在烧蚀碳层内部轴线埋置测温热电偶两点测温、基于单面热源一维传热模型计算表面温度的方法获得烧蚀碳层表面温度动态数据，并通过控制平面加热器功率，实现烧蚀碳层表面温度的准确采集和闭环控制；通过烧蚀碳层内部近表面处相同深度、不同径向位置埋置测温热电偶两点测温获得烧蚀碳层表面温度均匀性动态数据，通过控制环状加热器加热功率控制表面温度均匀一致。该装置能够有效抑制由于烧蚀碳层表面高热辐射、内部低热导的热传输特性导致的表面温度测试误差，实现烧蚀碳层表面温度的准确测量和控制。

技术领域

本发明涉及一种烧蚀碳层表面温度测量控制方法及装置，属于材料热辐射性能测试领域。

背景技术

大气层再入飞行器、临近空间高超声速飞行器的外层防热结构通常由于气动加热效应而产生表面高温。根据普朗克定律，材料表面热辐射散热量随温度增加以四次方函数形式增长，在高温服役过程中，飞行器防热结构与外层空间的辐射换热是其最重要的热耗散途径之一。

以石英酚醛防热复合材料、防隔热一体化防热复合材料为代表的树脂基防热复合材料在惯性再入和临近空间滑翔再入飞行器大面积防热结构中有着广泛的应用。此类材料在飞行过程中能够通过热裂解、碳化、熔融、蒸发、升华等一系列复杂的物理化学变化来耗散气动热，烧蚀后在表面形成的烧蚀碳层是服役过程中飞行器大面积防热结构直接与外层空间进行热辐射换热的固体材料表面。通过地面试验测试获得树脂基防热复合材料烧蚀碳层的高温热辐射性能，对于飞行器防热结构设计计算、防热材料改性优化具有重要价值。

发射率定义为材料表面热辐射出射度与同温度下绝对黑体热辐射出射度之比，是表征材料表面热辐射散热能力的基础物理参量。目前，基于能量比较法和傅里叶红外光谱仪开展高温热辐射系数测试已成为材料高温热辐射性能研究的主要试验手段，该方法主要通过比对由试样表面和黑体辐射源发出的热辐射信号，计算试样的热辐射性能。此方法是建立在试样表面与黑体辐射源温度完全相同的基础上推导得出的，因此对试样表面温度的控制精度提出了极高要求。

区别于常规材料，烧蚀碳层具有高表面发射率(发射率通常大于0.8)、内部低热导率(热导率通常低于0.5W/(m·K))的热传输特性。在高温热辐射测试要求的单面加热、表面自由辐射加热环境下，烧蚀碳层内部及表面通常会产生较大温度梯度(1000℃高温下可达到100K/mm)，为表面控温带来了极大难度。

现有试样表面加热装置主要通过平面热源在试样背面进行加热，将平面热源温度认定为试样表面温度。大量前期试验表面，现有通用表面控温方法应用于石墨、金属、表面涂层等常规材料时，热辐射测试结果误差不大；但应用于烧蚀碳层材料时，由于试样内部热传导性能差、表面热辐射散热能力强，因此试样和表面存在较大温度梯度，导致热辐射测试误差通常超过30％。可见，现有通用表面温度控制方法和控制装置不适用于烧蚀碳层试样的高温热辐射性能测试。

综上，由于烧蚀碳层具有内部热传导性能差、表面热辐射散热能力强的热传输特性，目前现有材料表面温度控制装置不适用于烧蚀碳层材料，导致烧蚀碳层高温热辐射测试结果产生严重偏差。因此，有必要发明一种针对于烧蚀碳层试样的表面温度测量控制装置，以满足烧蚀碳层高温热辐射性能测试的迫切需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种烧蚀碳层表面温度测量控制方法及装置，通过分别独立控制平面加热器、环状加热器的加热功率实现了两个方向上传热热流的独立可控；采用在烧蚀碳层内部轴线埋置测温热电偶两点测温、基于单面热源一维传热模型计算表面温度的方法获得烧蚀碳层表面温度动态数据，并通过控制平面加热器功率，实现烧蚀碳层表面温度的准确采集和闭环控制；通过烧蚀碳层内部近表面处相同深度、不同径向位置埋置测温热电偶两点测温获得烧蚀碳层表面温度均匀性动态数据，通过控制环状加热器加热功率控制表面温度均匀一致。该装置能够有效抑制由于烧蚀碳层表面高热辐射、内部低热导的热传输特性导致的表面温度测试误差，实现烧蚀碳层表面温度的准确测量和控制。