金属防热瓦温度及发射率的测量

金属防热系统是可重复使用航天器(reusable launchvehicle, R L V)的重要组成部分,它可使飞行器避免其载入大气层时受到严重的气动热。从目前热防护系统的发展趋势来看,作为被动热防护方案的可重复使用的金属热防护系统是各种类型航天飞行器大面积防热的主要选择[1]。作为可重复使用航天器金属热防护系统设计的关键性技术问题是材料问题,因此,测试材料的高温热物理性能对热防护系统的设计评价具有重要的意义。

通常金属热防护系统在做风洞实验时要知道防热瓦材料的发射率数据,因为它是衡量材料能否适应具体热过程工作的数据依据,也是对特定热过程进行基础研究、分析计算和工程设计的关键参数。为了解决金属防热瓦在连续加热过程中热边表面温度和发射率的测量问题,使用多光谱辐射高温计通过实验手段对金属防热瓦在真空环境下的热边温度和表面发射率进行测量,并提出一种发射率假设模型,依据此模型对多个光谱下的亮度温度及所实测得的电压信号进行了数据处理,得到了防热瓦上表面材料的温度和发射率值。

1　实验装置

实验所采用的设备主要有高温石墨平板炉、多光谱辐射高温计以及其它一些辅助机械部件。图1是测试装置的整体框图。

1.1　高温石墨平板炉

高温石墨平板炉主要有真空系统、加热系统及冷却系统等组成。真空系统包括真空容器、真空泵和真空测量装置。其设计可降低在加热过程中试样与周围的空气发生化学反应,其真空度最大可达到1mPa。加热系统采用平板型石墨加热器,其最高加热温度可达到1 600℃。冷却系统采用水冷夹层结构。

1.2　多光谱辐射高温计

多个光谱下的高温金属防热瓦试样的辐射信息是通过专门设计的多光谱辐射高温计测量来实现的,图2给出了作者研制的多光谱辐射高温计光路图[2]。辐射高温计是实验的关键测量设备,其棱镜分光式光学系统设计是保证仪器质量和其本征特性的最关键技术之一。实质上它是一个精心设计的辐射能通道,可确保高速高温计能准确地从被测物面上所指定的面积上取出充满指定立体角的辐射能量,然后传送到探测器指定面元。探测器选用硅光电二极管阵列,工作光谱范围为0.4～1.1μm,在其中选取了4个光谱作为工作光谱。为了实现快速测量,探测器工作于光导模式,前置级的响应时间可以达到0.01 ms,因此,完全可以满足快速测量的需要。另外,在高温计的前置级加入量程自动切换,实现了宽量程测量。

1.3　数据采集系统

数据采集系统由采样保持器、控制器和A/D转换器组成。控制器发送采样保持脉冲同时得到各路被测信号,然后依次选通相应的信号并启动模数转换器进行转换。转换完毕后将数据送到计算机。模数转换器为PCL-818L是12 Bit 10 kHz 16通道逐次逼近型采集卡,有4个分别为±10 V、±5 V、±2.5 V、±1.25 V输入量程,满足了同步高速采集数据的要求。整个系统的最大数据采集速率可以达到10 kHz。