[发明专利]一种防热材料催化复合系数测量系统

说明书

本发明提供一种防热材料催化复合系数测量系统，包括：待测模型；高焓风洞；激光器，在信号发生器的控制下输出激光，单个扫描周期波长范围覆盖目标吸收线对应的波长，且输出的激光经分束器分成两路，其中一路经光束整形系统调整为片光后紧贴待测模型的端面由另一侧阵列探测器接收；干涉仪，接收激光器的另一路激光并进行信号波长的标定；处理系统，利用数据分析模块接收信号进行综合处理，计算出待测模型材料表面的催化复合系数。本发明基于原子吸收光谱技术，通过定量测量材料表面原子浓度梯度分布，实现材料表面催化复合系数的定量评估；从微观原子角度表征催化复合过程，为深入探究防热材料表面催化复合机理提供了新的技术手段。

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器气动热防护研究领域，特别是涉及一种在高温高速气体环境中对防热材料的催化复合系数进行测量的测量系统。

背景技术

临近空间内高超声速飞行被认为是最复杂的飞行任务，气动热防护技术是保证安全飞行的基石。高超声速飞行器在临近空间内飞行时，高速气流被剧烈压缩形成激波层，大量动能转换为内能，气体发生振动激发、离解、电离等物理化学过程，对飞行器表面产生严重的气动加热，高焓离解气体在机体表面发生催化复合反应所释放的催化反应热是气动热载荷的主要来源，准确测试与评估防热材料表面催化特性对催化反应加热机制的探究具有重要意义。催化复合系数是评价材料催化特性的重要指标，实现催化复合系数的精准评估是深入探究防热材料表面催化复合机理的关键，也是催化反应热预测和防热系统优化设计的重要切入点。

目前，材料表面催化特性的测试方法主要有两种，分别是“风洞测试法”和“光能强度对比法”。“风洞测试法”利用高焓地面风洞复现临近空间或大气层内高超声速飞行器周围的高焓离解气体环境，通过测试该流场环境下待测材料表面的驻点热流和驻点压力，根据Fay和Goulard理论公式计算催化反应速率常数。然而该方法无法直接测量材料表面原子浓度的法向分布，另外该方法对于实验中表面形貌变化较大的防热材料研究难度较大。“光能强度对比法”通过引入与目标气体具有相同受激能量的惰性参考气体获得相对光强比值，利用光强比值与原子浓度之间的联系间接推算材料表面目标原子浓度的梯度分布，进而根据扩散反应方程获得材料表面催化系数。该方法通过相对光强来表征原子相对浓度的梯度分布，而并不是直接对原子浓度进行测量，无法获得催化特性与原子浓度之间的定量关系。此外，该方法所依据的扩散反应方程成立的条件与真实气动加热环境存在本质差别，难以直接应用于高焓非平衡流的测量。

上述测量方法均无法定量测量防热材料表面原子浓度，进而难以准确测量材料表面催化系数。针对当前测量方法的局限性，建立基于原子浓度定量测量的催化特性评估方法和系统显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种在高温高速气体环境中对防热材料的催化复合系数进行测量的测量系统。

具体地，本发明提供一种防热材料催化复合系数测量系统，包括：

待测模型，为平头圆柱形；

高焓风洞，通过内部加热器对输入的气体进行加热，使气体达到预定总温和热流，出口处的喷管将加热后气体加速到相应马赫数后喷至位于喷管出口轴线方向的待测模型上；

激光器，在信号发生器的控制下以特定扫描频率输出激光，单个扫描周期波长范围覆盖目标吸收线对应的波长，且输出的激光经分束器分成两路，其中一路准直器发出，经光束整形系统调整为片光后紧贴待测模型的端面由另一侧的阵列探测器接收后转化为电信号；

干涉仪，接收激光器的另一路激光并进行信号波长的标定，然后进行时域-频域转换；

处理系统，利用数据分析模块分别接收经过待测模型端面和干涉仪的信号并进行对比分析，定量获得待测模型表面沿光程平均的原子浓度，再结合待测模型材料表面温度和气流静压，计算出待测模型材料表面的催化复合系数。