一种极端高温环境下纳米隔热材料热振联合实验装置

摘要

本发明提供一种极端高温环境下纳米隔热材料热振联合实验装置,包括高超声速飞行器纳米隔热材料试验件、一级隔热平台、贵金属铂铑压片、双铂铑温度传感器、空心陶瓷杆、半圆形卡箍、拉紧弹簧、二级隔热平台、振动台体、激振平台、水冷通道、红外辐射热源阵列、大功率调节器、固定电极、联接支架、轻质隔热材料、振动台驱动控制器、陶瓷管与耐高温柔性薄毡。该实验装置能够实现温度高达1500℃的极端高温环境下高超声速飞行器纳米隔热材料抗振动性能的实验测量，为高超声速远程机动飞行器所使用的新型纳米隔热材料在极端高温环境下的承载能力、防隔热性能和安全可靠性设计提供重要的实验依据，对高超声速飞行器的研制具有重要的工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种极端高温环境下纳米隔热材料热振联合实验装置，特别是该实验装 置能够实现高达1500℃的极端高温环境下高超声速飞行器纳米隔热材料抗振动性能的 实验测试，为高超声速远程机动飞行器所使用的新型纳米隔热材料在极端高温环境下的 承载能力、防隔热性能和安全可靠性设计提供重要依据。

背景技术

高超声速飞行器能够实现全球远距离快速到达，实施有效的高空高速突防，完成快 速精确打击。由于具有极其重要的军事应用价值和对国家安全具有重大的战略意义，高 超声速飞行器已经成为世界各主要航天大国研究的热点。高超声速飞行器的飞行速度非 常快，一般在5倍音速以上(大于5个马赫)，美国国防部研发的高超声速飞行器HTV-2， 其飞行马赫数已高达22；俄罗斯目前在着力研究发展马赫数达14的具有超“领空”打击 能力的空天飞机；法国国防部也开展了马赫数为12的高超声速机动飞行器的研制计划； 德国国家航宇中心研制的高超声速飞行器SHEFEX II的设计速度高达12个马赫。此外， 英国、日本等国家也都开展了有关高超声速飞行器技术的研究。由于高超声速飞行器的 速度和飞行时间的大幅度提高，高马赫数飞行时由气动加热产生的热环境问题变得极为 严酷。在高马赫数飞行时高超声速飞行器的有些关键部位的温度高达1500℃，像进气道 和某些姿态控制部位的局部温度甚至超过了1500℃。因此极端高温环境下的地面试验对 高超声速飞行器的安全设计极为重要。

远程高超声速飞行器的某些部位不但处于极端恶劣的的高温环境之中，而且其高温 持续时间甚至要长达数千秒。由于高超声速飞行器内部安装有精密的电子设备以及战斗 部等，其温度不允许超过80℃。为减轻重量，高超声速飞行器的热防护空间很小。因此 必须研制和安装高效隔热材料或热防护结构，以降低高超声速飞行器表面热量向内部的 传导速度，保证内部设备的安全。热防护材料和结构的要求是：重量轻、厚度小、防热 效率高，普通的防热材料难于满足要求，近年来采用新型纳米材料是满足高超声速飞行 器防隔热需求的重要研究方向。

虽然纳米防热材料的隔热性能优越，但由于存在大量微细孔，结构松散，抵抗振动 的能力相对较低，因此如何解决将强度不高的纳米防隔热材料在高温与强振动环境下能 够地可靠地使用问题非常重要。有些热防护结构为了提高隔热效能，由多层不同的材料 或组合结构制成(如图1所示)，多层结构和复杂组合结构极易出现严重的安全问题。 由于远程高超声速飞行器处于长时间的高温和剧烈振动环境之中，激烈的抖动会引起防 热材料或热防护结构出现裂纹、错位、剥离或脱落，造成严重的热泄露甚至造成致命的 安全事故。例如，美国“哥伦比亚号”航天飞机由于一块外部燃料箱防护材料脱落，造成 机翼前端热防护系统出现裂痕，航天飞机重返大气层时极热的气体从裂痕处进入机翼， 引起机翼内部结构熔化，最终导致全机爆炸解体，损失极为惨重。美国军方研制的高超 声速飞行器HTV-2，第二次试飞时热防护材料出现剥离，气动热参数超过设计指标两个 数量级，最终导致试验失败。因此为了保证远程高超声速飞行器的安全可靠性，必须对 防热材料、防热结构进行高温振动条件下的热振联合地面验证试验，模拟高超声速飞行 器高马赫数飞行过程中的极端高温与强振动的复合环境，通过热振联合试验方法检验防 热材料和结构在高温环境下的抗振动能力、防隔热效果以及稳定性和可靠性。这项工作 对于高超声速飞行器的安全设计和可靠性评估具有极为重要的意义。

但是，目前尚未有能够在高达1500℃的极端高温环境下能对纳米防热材料的抗振动 性能进行热振联合试验测试的装置。为了确认高超声速飞行器防隔热材料和结构在恶劣 的高温强振动复合环境下的可靠性，保证远程飞行的安全，目前高超声速飞行器的研制 部门对于高达1500℃热振复合环境下纳米防热材料的抗振性能测试提出了迫切需求，因 此，极端高温环境下纳米隔热材料热振联合实验装置的研制不但具有重要工程应用背景 并且是一项具有挑战性的研究课题。

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，提供一种极端高温环境下纳米 隔热材料热振联合实验装置，能够完成存在大量微细孔，结构松散的纳米材料表面高达 1500℃的温度下以及强振动条件下的可靠温度测量，达到热振联合实验的目的。并且能 够在高达1500℃的极端恶劣高温环境下对价格昂贵的带有橡胶密封部件的激振设备进 行热隔离和热保护，保证振动激振设备能够在长达数千秒的时间内连续安全工作。为高 超声速远程机动飞行器所使用的新型纳米隔热材料在极端高温环境下的承载能力、防隔 热性能和安全设计提供可靠依据。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种极端高温环境下纳米隔热材料热 振联合实验装置,包括：高超声速飞行器纳米隔热材料试验件、一级隔热平台、贵金属 铂铑压片、双铂铑温度传感器、空心陶瓷杆、半圆形卡箍、拉紧弹簧、二级隔热平台、 振动台体、激振平台、水冷通道、红外辐射热源阵列、大功率调节器、固定电极、联接 支架、轻质隔热材料、振动台驱动控制器、陶瓷管与耐高温柔性薄毡；所述高超声速飞 行器纳米隔热材料试验件被固定在一级隔热平台上，将贵金属铂铑压片压在测温用双铂 铑温度传感器之上，并通过四根十字交叉安装的空心陶瓷杆将双铂铑温度传感器的前端 紧紧压接在纳米隔热材料试验件上；将四根空心高温陶瓷杆的端部位置，通过半圆形卡 箍和拉紧弹簧固定在二级隔热平台上，热振联合试验时双铂铑温度传感器的温度感知端 部由于被贵金属铂铑压片向下紧压，因此会随二级隔热平台的振动上下同步运动，使得 双铂铑温度传感器的前端部位能够在高强度随机振动下始终与纳米隔热材料试验件保 持紧密接触，双铂铑温度传感器能够可靠地测量出在1500℃高温强振动复合环境下的纳 米隔热材料试验件的表面温度。

进一步的，所述试验装置具有一级隔热平台与二级隔热平台，一级隔热平台和二级 隔热平台均水平固定在振动台体的激振平台上，两级复合式水冷式隔热措施来保证价格 昂贵的和易于损坏的振动设备的可靠热隔离。

进一步的，所述一级隔热平台与二级隔热平台的内部加工有廻形水冷通道，热振联 合试验时廻形水冷通道内部流过冷却水对一级隔热平台和二级隔热平台进行降温。

进一步的，所述红外辐射加热阵列通过固定电极和联接支架被吊装在纳米隔热材料 试验件之上，红外辐射热源阵列与振动台体和激振平台之间没有硬联接部分，使试验时 红外辐射热源阵列保持静止状态，避免了脆弱的红外辐射热源阵列由于激振平台的上下 高强度随机振动被振坏。

进一步的，所述双铂铑温度传感器的两根金属丝上穿有细陶瓷管，使金属丝之间以 及金属丝与贵金属铂铑压片之间相互绝缘，防止金属丝双铂铑温度传感器及贵金属铂铑 压片之间出现短路现象。

进一步的，所述四根空心陶瓷杆的端部位置共设有8个拉紧弹簧，用以吸收振动冲 击能量。

进一步的，所述四根空心高温陶瓷杆的十字交叉处，均放置有厚度为3-4mm的耐高 温柔性薄毡作为缓冲过渡部件，用以吸收振动时冲击能量。

进一步的，所述红外辐射加热阵列由使用极限温度为1500℃的硅碳棒平行排列组 成。

进一步的，所述纳米隔热材料试验件的四周以及红外辐射热源阵列的上部和周围均 安装有轻质隔热材料，防止1500℃高温试验时的热泄露。

本发明的原理在于：

在纳米隔热材料试验件的上方安装有红外辐射热源阵列，通过联接大功率调节器供 电，对纳米隔热材料试验件的上表面进行加热。红外辐射加热阵列通过固定电极和联接 支架被吊装在纳米隔热材料试验件之上，红外辐射热源阵列与振动台体和激振平台之间 没有硬联接部分，试验时红外辐射热源阵列将会保持静止状态，因此避免了脆弱的红外 辐射热源阵列由于激振平台的高强度振动而被振坏。纳米隔热材料试验件的四周以及红 外辐射热源阵列的上部和周围均安装有轻质隔热材料，防止1500℃高温试验时的热泄 漏。在试验中振动台驱动控制器按照所设定的振动波形和强度驱动激振平台上下运动， 对被固定在一级隔热平台上的纳米隔热材料试验件进行振动激励，以实现温度高达 1500℃的极端高温环境下高超声速飞行器纳米隔热材料抗振动性能实验测试。

由于双铂铑温度传感器是由两根细长的金属丝制成的热电偶，形状细长并且柔软， 在高强度的振动下会上下甩动，造成损坏。因此不但使用一块可耐1500℃高温的贵金属 铂铑压片压在双铂铑温度传感器的测温端部，还使用另一块贵金属铂铑压片压在双铂铑 温度传感器的根部的附近，通过四根空心陶瓷杆将双铂铑温度传感器的紧压在纳米隔热 材料试验件上，试验时双铂铑温度传感器的能够在高强度振动下与纳米隔热材料试验件 保持同步振动，避免了试验时双铂铑温度传感器的抖动损坏，保证了长时间热振试验时 测温的可靠性。

因为双铂铑温度传感器与贵金属铂铑压片均为导电金属材料，为避免双铂铑温度传 感器与贵金属铂铑压片之间产生短路，同时防止双铂铑温度传感器的两根金属丝之间出 现短路现象，所述双铂铑温度传感器的两根金属丝上均穿有细陶瓷管，使金属丝之间以 及金属丝与贵金属铂铑压片之间绝缘。

在高温振动环境下细长的实心高温陶瓷杆结构容易断裂，因此采用中空结构的四根 交叉安装的空心陶瓷杆将双铂铑温度传感器的前端紧紧压接在纳米隔热材料试验件上， 由于陶瓷杆是中空的，空心陶瓷杆的内、外边界自由膨胀空间大，在高温热环境下的抗 断裂特性比实心结构更好。四根空心高温陶瓷杆之间有四个交叉点，由于四根空心高温 陶瓷杆之间会产生刚性材料的硬接触，在强振动下容易断裂，因此在四根空心高温陶瓷 杆的十字交叉处，均放置有厚度为3-4mm的耐高温柔性薄毡作为缓冲过渡部件，以吸收 振动时冲击能量。另外四根空心陶瓷杆的端部位置均设有拉紧弹簧与二级隔热平台联 接，也可以吸收振动冲击能量，所述两级减振措施的采用，避免了强振动时刚性的空心 高温陶瓷杆的断裂破坏。

为了本试验装置要能够在超过大多数金属材料熔点的高达1500℃的极端高温环境 下安全工作，本发明设计制做了两级水冷式隔热平台对价格昂贵的和易于损坏的振动设 备进行热隔离。一级隔热平台与二级隔热平台内部均加工有如图2所示的廻形水冷通道， 该设计比起直线型贯通水冷通道，具有重量轻、隔热效率高的优点。由于安装隔热平台 会产生附加质量，将减低激振设备的最大有效推力，因此将距离处于高温区的与纳米隔 热材料试验件比较近一级隔热平台的平面尺寸设计得较小，主要用于对1500℃高温环境 中部高热区域实现热隔离。由于一级隔热平台的平面尺寸设计得较小，其附加质量也相 对较小，对激振设备推力的影响也较小。二级隔热平台的平面尺寸相对较大，能够完全 覆盖整个激振平台，通过平面尺寸较大的二级隔热平台对试验中的极端高温环境进行的 二次热隔离，确保了振动激振设备的安全可靠性。上述极端高温环境下纳米隔热材料热 振联合实验装置，为高超声速远程机动飞行器所使用的新型纳米隔热材料在极端高温环 境下的承载能力、防隔热性能和安全设计提供可靠的实验依据，具有重要的工程应用价 值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明使用耐温高达1800℃的贵金属铂铑压片压住测温用双铂铑温度传感器 的测温端部，通过四根十字交叉安装的空心陶瓷杆将双铂铑温度传感器的前端压接在纳 米隔热材料试验件上，保证了实验过程中双铂铑温度传感器始终能够与纳米隔热材料试 验件表面紧密接触和温度测量的可靠性。并且使用拉紧弹簧将空心高温陶瓷杆的两端固 定，拉紧弹簧可有效吸收冲击能量；在四根空心陶瓷杆的交叉点处安装耐高温柔性薄毡 作为缓冲过渡部件，防止使刚性陶瓷杆产生硬接触点。由于采用了上述两级吸收振动冲 击能量的减振技术措施，避免了高温强振动复合环境下四根十字交叉安装的刚性空心高 温陶瓷杆的断裂破坏。为了使试验装置能够在超过大多数金属材料熔点的高达1500℃的 极端高温环境下安全工作，设计制做了两级水冷式隔热平台对价格昂贵和易于损坏的振 动设备进行热隔离，确保了振动激振设备的安全可靠性。本发明能够在恶劣的1500℃高 温强振动复合环境下能够可靠地测量出结构比较松散的纳米隔热材料试验件的表面温 度、隔热效果及抗振动性能，为高超声速远程机动飞行器所使用的新型纳米隔热材料在 极端高温环境下的承载能力、防隔热特性和安全设计提供了可靠试验依据，对高超声速 飞行器的研制具有重要的工程应用价值。

(2)由于双铂铑温度传感器是由两根细长的金属丝制成的热电偶，形状细长且柔 软，在高强度的随即振动下会上下甩动，造成损坏。因此本发明不但使用一块可耐1500℃ 高温的贵金属铂铑压片压在双铂铑温度传感器的测温端部，还使用另一块贵金属铂铑压 片压在双铂铑温度传感器的根部附近，通过四根空心陶瓷杆将双铂铑温度传感器紧压在 纳米隔热材料试验件上，试验时双铂铑温度传感器的整体能够在高强度振动下与纳米隔 热材料试验件保持同步运动，避免了试验时双铂铑温度传感器的抖动损坏，保证了长时 间热振联合试验中温度测量的可靠性。

(3)因为在高温振动环境下实心的高温陶瓷杆结构容易断裂，因此采用中空结构 的四根十字交叉安装的空心陶瓷杆将双铂铑温度传感器的前端压接在纳米隔热材料试 验件上。因为使用中空的陶瓷杆结构，杆的内、外自由膨胀空间大，在极端高温环境下 的抗断裂特性更好，不易断裂。

(4)由于四根十字交叉安装的空心高温陶瓷杆之间有四个接触点，因此会出现陶 瓷杆之间的刚性硬接触区，在强振动下容易出现断裂情况。本发明在四根空心高温陶瓷 杆的十字交叉处，均放置有厚度为3-4mm的耐高温柔性薄毡作为缓冲过渡材料，用以吸 收振动时冲击能量。另外，四根空心陶瓷杆的端部位置均安装有八根拉紧弹簧，也能够 吸收振动冲击能量，两级减振措施的采用，避免了强振动时刚性空心高温陶瓷杆的断裂 破坏。

(5)本发明设计制做了两级复合式水冷式隔热平台对价格昂贵的振动设备进行热 隔离。由于隔热平台会产生附加质量，对激振设备的有效推力会有影响，因此距离处于 高温区的纳米隔热材料试验件比较近一级隔热平台的平面尺寸设计得较小，主要用于对 1500℃热环境的中部高温区域实现热隔离，由于一级隔热平台的平面尺寸较小，其附加 质量也相对较小，对激振设备推力的影响也较小。二级隔热平台的平面尺寸相对较大， 能够完全覆盖整个激振平台，通过平面尺寸较大的二级隔热平台对试验中的极端高温环 境进行的二次热隔离，确保了对于热环境比较脆弱的振动激振设备的安全可靠性。

(6)一级隔热平台与二级隔热平台的内部均加工有廻形水冷通道，该设计比起直 线型贯通水冷通道，具有重量轻，隔热效率高的优点。

(7)本发明装置结构简洁，为新型纳米隔热材料在高达1500℃极端高温与强振动 的复合环境下的承载能力、防隔热性能和安全设计提供了重要的试验测试手段。

附图说明

图1为高超声速飞行器纳米隔热材料示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的含有廻形水冷通道的隔热平台内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图2和图3所示，本发明由高超声速飞行器纳米隔热材料试验件1、一级隔热平 台2、贵金属铂铑压片3、双铂铑温度传感器4、空心陶瓷杆5、半圆形卡箍6、拉紧弹 簧7、二级隔热平台8、振动台体9、激振平台10、水冷通道11、红外辐射热源阵列12、 大功率调节器13、固定电极14、联接支架15、轻质隔热材料16、振动台驱动控制器17、 陶瓷管18与耐高温柔性薄毡19组成。高超声速飞行器纳米隔热材料试验件1被固定在 一级隔热平台2上，将贵金属铂铑压片3压在测温用双铂铑温度传感器4的测温端部， 并通过四根十字交叉安装的空心陶瓷杆5将双铂铑温度传感器4的前端紧紧压接在纳米 隔热材料试验件1上；通过半圆形卡箍6和拉紧弹簧7将四根空心高温陶瓷杆5的端部 固定在二级隔热平台8上，热振联合试验时双铂铑温度传感器4的温度感知端部由于被 贵金属铂铑压片3向下紧压，因此会随二级隔热平台8的振动上下同步运动，使得双铂 铑温度传感器4的前端部位能够在高强度随机振动条件下始终与纳米隔热材料试验件1 保持紧密接触，从而使双铂铑温度传感器4能够可靠地测量出1500℃高温与强振动复合 环境下的纳米隔热材料试验件1的表面温度。一级隔热平台2和二级隔热平台8均水平 固定在振动台体9的激振平台10上，一级隔热平台2与二级隔热平台8的内部加工有 廻形水冷通道11，在热振试验时通过流动的冷却水隔离高温环境，能够对处于激振平台 10下面的极易由于高温而损坏的橡胶封闭件及激励动圈等部件进行热隔离和热保护，以 达到在高达1500℃的极端高温环境下能够保证昂贵的振动激振设备长时间安全可靠工 作的目的。在纳米隔热材料试验件1的上方安装有红外辐射热源阵列12，通过联接大功 率调节器13供电，对纳米隔热材料试验件1的上表面进行加热。红外辐射加热阵列12 通过固定电极14和联接支架15被吊装在纳米隔热材料试验件1的上方，红外辐射热源 阵列12与激振平台10之间没有硬联接部分，试验时红外辐射热源阵列12将会保持静 止状态，因此避免了脆弱的红外辐射热源阵列12由于激振平台10的上下高强度随机振 动而损坏。纳米隔热材料试验件1的四周以及红外辐射热源阵列12的上部和周围均安 装有轻质隔热材料16，防止1500℃高温试验时的热泄露。在实验中振动台驱动控制器 17按照所设定的振动波形和强度驱动激振平台10上下运动，对被固定在一级隔热平台 2上的纳米隔热材料试验件1进行振动激励。

由于双铂铑温度传感器4是由两根细长的金属丝制成的热电偶，形状细长且柔软， 在高强度的振动下会上下甩动，极易造成损坏。因此不但使用一块可耐1500℃高温的贵 金属铂铑压片3压在双铂铑温度传感器4的测温端部，还使用另一块贵金属铂铑压片3 压在双铂铑温度传感器4的根部的附近，通过四根十字交叉安装的空心陶瓷杆5将双铂 铑温度传感器4紧压在纳米隔热材料试验件1上，试验时双铂铑温度传感器4能够在高 强度振动下与纳米隔热材料试验件1保持同步振动，避免了实验过程中双铂铑温度传感 器4的抖动损坏，保证了长时间热振联合实验温度测量的可靠性。

由于双铂铑温度传感器4与贵金属铂铑压片3均为导电金属材料，为了避免双铂铑 温度传感器4与贵金属铂铑压片3之间产生短路，同时防止双铂铑温度传感器4的两根 金属丝之间出现短路现象，双铂铑温度传感器4的两根金属丝上均穿有细陶瓷管18，使 金属丝之间以及金属丝与贵金属铂铑压片3之间绝缘。

因为在高温振动环境下细长的实心高温陶瓷杆结构容易断裂，因此采用中空结构的 四根交叉安装的空心陶瓷杆5将双铂铑温度传感器4的前端紧紧压接在纳米隔热材料试 验件1上，由于空心陶瓷杆的内、外边界自由膨胀空间大，在高温热环境下的抗断裂特 性比实心结构更好。四根空心高温陶瓷杆5之间有四个交叉点，由于四根空心高温陶瓷 杆5之间会产生刚性硬接触，在强振动下容易出现断裂情况，因此在四根空心高温陶瓷 杆5的十字交叉处，均放置有厚度为3-4mm的耐高温柔性薄毡19作为缓冲过渡部件， 以吸收振动时冲击能量。另外四根空心陶瓷杆5的端部位置共设有根拉紧弹簧7与二级 隔热平台8联接，用以吸收振动冲击能量，以上两级减振措施的采用，避免了强振动时 刚性空心高温陶瓷杆5的断裂破坏。

为了本试验装置要能够在超过大多数金属材料熔点的1500℃极端高温环境下安全 工作。本发明设计制做了两级水冷式隔热平台对价格昂贵的和易于损坏的振动设备进行 热隔离。一级隔热平台2与二级隔热平台8的内部均加工有如图3所示的廻形水冷通道 11，该设计比起简单的直线型贯通水冷通道，具有重量轻、隔热效率高的优点。由于安 装隔热平台会产生附加质量，对激振设备的有效推力有一定影响，因此距离纳米隔热材 料试验件1比较近的，处于高温区的一级隔热平台2的平面尺寸设计得比较小，主要用 于对1500℃高温环境的中部区域实现热隔离。由于一级隔热平台2的平面尺寸设计得较 小，其附加质量也相对较小，对激振设备推力的影响也较小。二级隔热平台8的平面尺 寸相对较大，能够完全覆盖整个激振平台10，通过平面尺寸较大的二级隔热平台8对实 验中的极端高温环境进行的二次热隔离，确保了对热环境比较脆弱的振动激振设备的安 全可靠性。上述极端高温环境下纳米隔热材料热振联合实验装置，为高超声速远程机动 飞行器所使用的新型纳米隔热材料在高达1500℃的热振复合环境下的承载能力、防隔热 性能和安全设计提供了可靠依据，具有重要的工程应用价值。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。