[发明专利]热防护材料热-力-氧-激光多场耦合地面测试系统

说明书

本发明涉及一种热防护材料热‑力‑氧‑激光多场耦合地面测试系统及方法，该系统包括：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，本发明采用复杂气氛反应腔、多组分供气子系统及真空抽气子系统为被测样品提供可调节的环境气氛，通过感应加热子系统对被测样品加载高温，通过力学加载子系统对被测样本加载单轴拉应力，通过大功率激光加载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，被测样品表面形貌变化和应力数据，能够实现热防护材料热‑力‑氧‑激光多场耦合的地面模拟测试。

技术领域

本发明涉及多场耦合地面模拟测试技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为了实现上述目的，本发明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：

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；