高超聲速飛行器熱防護電弧風洞氣動加熱試驗技術

當高超聲速飛行器在大氣層內高速飛行時,飛行器周圍的氣體受到強烈的壓縮和劇烈的摩擦,則飛行器巨大的動能轉化為熱能,飛行器周圍將形成高溫､高速氣體流場｡高溫氣體和飛行器表面之間產生數千甚至上萬攝氏度的溫差,高溫氣體的熱能以對流､輻射和熱傳導三種方式傳到飛行器表面,對飛行器表面進行非常嚴重地氣動加熱,如果不採取行之有效的熱防護手段,將會導致飛行器部件燒壞,甚至造成飛行器解體､墜毀等嚴重的飛行事故,因此熱防護是高超聲速飛行器的關鍵技術之一｡

為了減少飛行器承受的峰值熱流,降低防熱難度，提高防熱系統可靠性，通常對大氣層外飛行的太空飛行器,在氣動外形上採取鈍形設計｡但即使如此,受熱後太空飛行器表面的溫度仍將高達900℃ 以上｡這個溫度已遠遠超過一般的結構材料,如鋁合金､鈦合金等所能承受的範圍,因此太空飛行器必須採用特殊的防熱結構，以防止太空飛行器在返回地面過程中發生過熱和燒毀的情況,保證艙內航天員的安全和設備的正常工作,這是其他太空飛行器防熱結構所沒有的重要功能,也是防熱結構的主要特徵｡另外,防熱結構也起到了保持太空飛行器外形､承受相關載荷等作用｡

高超聲速飛行器熱防護系統非常複雜,飛行器表面不同部位的熱環境差異很大,例如,頭部､翼前緣區域的溫度比機身後部大面積區域高几倍甚至幾十倍,所以針對不同區域,需要設計不同的熱防護結構｡

太空梭表面各處的最高輻射平衡溫度(最大熱流密度)

為了開展對飛行器熱防護材料性能的研究,特別是針對某一具體高超聲速飛行器特殊的飛行熱環境開展防熱材料的研製和開發,需要對材料研製各階段的試件進行氣動加熱考核,分析其在高溫氣流加熱條件下的抗衝刷､抗熱震､隔熱等性能,通常需要開展大量､多批次的試驗驗證工作｡這為研製新型防熱材料､提升工藝可靠性､降低成本､提高生產效率等提供了技術支撐｡

一百多年前,德國人發現兩個正負電極之間放電,可以產生大量的焦耳熱,把氣體加熱到幾千攝氏度甚至上萬攝氏度,於是電弧加熱器由此而生｡以高溫電弧為加熱源對空氣進行加熱,形成高溫､高速的氣流,來模擬高超聲速飛行器在飛行過程中的氣動加熱環境,對飛行器的熱防護材料或結構進行地面試驗研究,是高超聲速飛行器熱防護研究及設計的重要技術手段｡

高超聲速飛行器熱防護試驗硏究是一項非常複雜、難度極大的科學硏究,我國從20世紀五六十年代開始針對飛彈、返回式衛星等高超聲速飛行器的熱防護開展研究工作,經過了幾代航天人嘔心瀝血地艱苦攻關,到目前已經發展了具有世界先進水平的試驗體系和試驗技術。

《高超聲速飛行器熱防護電弧風洞氣動加熱試驗技術》（陳連忠等著. 北京:科學出版社,2020.7）一書主要是根據中國航天空氣動力技術研究院的高超聲速飛行器熱防護試驗團隊多年的工作整理而來, 對我國目前電弧加熱試驗設施的能力､試驗技術和測試技術等方面進行系統介紹,希望能夠為參與相關研究的技術人員和高校､科研院所的研究生提供學習參考｡

高超聲速飛行器熱防護電弧風洞試驗的輸入,就是高超聲速飛行器的熱環境參數,而不同類型的高超聲速飛行器,其氣動熱環境參數千差萬別,對於某一類型的飛行器,其在大氣層內飛行速度､高度､姿態的變化,也反映在其氣動熱環境參數的巨大差異上｡為了滿足飛行任務的需求,需要針對飛行器的氣動熱環境設計熱防護系統｡電弧加熱試驗設施的主要任務,就是根據不同飛行器熱防護研究的需求,在地面「創造」出相應的氣動加熱環境,對熱防護材料､熱結構進行考核或驗證｡

從20 世紀60 年代開始,我國開始發展電弧加熱試驗裝置,經過幾十年的發展,不僅自主研發了管狀電弧加熱器､分段式電弧加熱器､疊片式電弧加熱器,還研發了交流電弧加熱器､超高焓電弧加熱器等多個類型的大功率加熱設施;電弧功率從一開始的幾十千瓦,發展到超過50 000 kW;電弧風洞的噴管尺度也超過了1 000 mm｡與之相適應的是,我國還發展了大量的試驗技術和高溫測試技術,包括端頭外形燒蝕技術､包罩試驗技術及後來發展的多種特種試驗技術｡這些試驗技術在我國飛彈､返回式衛星､載人飛船等高超聲速飛行器的研製中發揮了重要作用｡

《高超聲速飛行器熱防護電弧風洞氣動加熱試驗技術》對我國電弧加熱試驗設施進行了系統介紹,對於電弧加熱試驗設施的後續發展具有很強的指導作用,對於參與或從事高超聲速飛行器熱防護試驗研究的科技人員具有很高的參考價值｡

2019 年10 月

本文摘編自《高超聲速飛行器熱防護電弧風洞氣動加熱試驗技術》（陳連忠等著. 北京:科學出版社,2020.7）一書「前言」「序」「第１ 章 熱環境及熱防護系統概述」，有刪減，標題為編者所加。

高超聲速出版工程

「十三五」國家重點出版物出版規劃項目·重大出版工程

國家出版基金項目

ISBN 978-7-03-065300-0

責任編輯:徐楊峰

高超聲速飛行器在大氣層內高速飛行時,飛行器周圍的氣體受到強烈的壓縮和劇烈的摩擦,飛行器巨大的動能轉化為熱能,對飛行器產生極其嚴重的氣動加熱,因此熱防護是高超聲速飛行器的關鍵技術之一｡

本書的主要目的是對我國目前電弧加熱試驗設施的能力和試驗技術､測試技術等方面進行系統的介紹,本書分為8 個章節:第1 章主要介紹電弧加熱試驗設施服務的對象———高超聲速飛行器的飛行熱環境以及熱防護系統;第2 章介紹了電弧氣動加熱試驗設施;第3 章對高超聲速飛行器熱防護試驗需要測量的參數及其測試方法進行了介紹;第4~6 章分別對飛行器端頭電弧加熱試驗技術､飛行器典型部位燒蝕試驗技術和吸氣式高超聲速飛行器熱防護試驗技術進行了介紹;第7 章介紹了最近幾年發展的新型熱防護技術;第8 章簡要介紹了高頻感應加熱､燃氣流加熱等其他試驗設施｡另外本書還收錄幾篇常用的電弧加熱試驗標準｡

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（本文編輯：劉四旦）

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