一种防热材料表面催化特性评价方法及系统

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基于原子浓度定量测量防热材料表面催化特性的评价方法及系统。

背景技术

高超声速飞行器在临近空间或大气层飞行时，由于激波压缩和粘性滞止作用，来流被加热到几千甚至上万度，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，高焓离解气体在防热材料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，科学测试与表征防热材料表面催化特性对探究催化反应加热机制具有重要意义。材料表面催化特性即是用来描述材料表面对气相原子复合速率强弱的物理量，因此，能否准确测量材料表面原子浓度是科学测试与评价材料表面催化特性的关键。

防热材料表面催化特性与其表面气相原子浓度及变化密切相关，对于不同防热材料来说，其在相同气动热环境下表面气相原子浓度及变化直观反映了各自的催化特性。但由于气动热试验的苛刻环境以及测量手段的匮乏，当前尚无直接对材料表面原子浓度进行定量测量进而实现催化特性的表征工作。

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强，根据Fay和Goulard理论公式计算催化反应速率常数。但该方法是通过对驻点热流、表面温度等测量数据间接反映材料表面原子密度变化的方法研究表面催化特性，难以有效表征表面形貌、发射率等扰动因素之间的相互耦合关系，对于烧蚀表面形态发生较大变化或者表面化学反应带来的较大发射率变化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似受激能量的惰性参考气体获得相对光强比值，根据扩散反应方程获得材料表面催化系数，但该方法并不是直接对原子浓度进行测量，无法直接获取材料表面原子浓度与催化特性的定量关系。

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基于原子浓度定量测量防热材料表面催化特性的评价方法及系统。

具体地，本发明提供一种防热材料表面催化特性评价系统，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，激光的单个扫描周期覆盖目标吸收线，输出的激光经分束器分成两路，其中一路由发射端处理后紧贴待测模型的端面由另一侧的接收端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，接收接收端和干涉仪的信号进行对比分析和计算，然后根据得到的原子浓度对待测模型的催化复合特性进行有效表征。

本发明还公开一种用于防热材料表面催化特性评价系统的评价方法，

经所述加热器加热的气体在喷出过程中，气体分子离解为原子，以分解后的氧原子作为计算对象，氧原子在所述待测模型表面发生催化复合反应，使表面附近氧原子浓度发生改变；

利用获取的氧原子光谱信息，优选出多普勒展宽Δv

频率v(cm

(I

式中k

其中吸收系数k

k

其中l表示原子的低能级状态，n

∫φ(v)dv≡1

S

对吸收谱线进行Gauss拟合，通过寻优的方法提取出多普勒展宽Δv

根据提取出的多普勒展宽Δv

吸收系数k

α

积分吸收率A为α

A＝∫α

结合气流温度T和积分吸收率A可以计算出低能级氧原子浓度n

准平衡条件下，原子能级的分布符合玻尔兹曼分布，氧原子总浓度n

通过上述方式计算并对比分析多种防热材料的表面原子浓度，其中，表面原子浓度高的材料催化特性较弱，反之则较强；将各防热材料的表面原子浓度分别与完全催化材料Cu的表面原子浓度相比，其中相差最小者，在各防热材料中催化特性最强，将各防热材料的表面原子浓度分别与非完全催化材料SiO

本发明利用激光吸收光谱技术，实现真实气动热环境下材料表面原子浓度的定量测量，弥补了现有“风洞测试法”和“光能强度对比法”无法直接测量原子浓度的空白，能够为基于微观原子角度材料表面催化特性的定量评估提供可靠的数据支撑。

采用非接触式测量的方式不干扰待测流场，可靠性高，可实现真实气动热环境下材料表面原子浓度的持续、长时测量。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的评价系统连接示意图；

图2是本发明一个实施方式的典型氧原子吸收原始信号的状态示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。

如图1所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种防热材料表面催化特性评价系统，主要部件包括：包含加热器1和喷管2的高焓风洞，待测模型3，激光器4，干涉仪9和处理系统16。

该待测模型3用于模拟高超声速飞行器的钝头体部分，由待测量催化特性的材料制成，外形可根据测量时的流场品质(均匀区)进行调整，本实施方式中的待测模型3形状为平头圆柱形。

高焓风洞中的加热器1用于对输入的气体进行加热，气体可以是空气、氧气、氮气、二氧化碳或甲烷中的一种或几种的混合，气体达到预定总温和热流后，喷管2将加热后气体喷至位于喷管2出口轴线方向的待测模型3上；加热器1安装在高焓风洞内对经过的气体进行加热，具体的加热器1可以采用电弧加热器、高频感应加热器或激波管中的一种。位于高焓风洞的出口处的喷管2可采用轴对称拉法尔喷管或矩形喷管。在加热器1的外表面可安装冷却系统，如高压循环冷却水，以对加热器进行降温或散热。

该激光器4在信号发生器6的控制下以特定扫描频率输出激光，单个扫描周期内覆盖目标吸收线，且输出的激光经分束器7分成两路，其中一路由发射端处理后紧贴待测模型3的端面由另一侧的接收端接收后转化为电信号；这里的端部是指待测模型3朝向气体来流的一面，激光可最大限度的接近待测模型3，但不能对待测模型3表面产生烧蚀。

该干涉仪9用于接收激光器4被分束器7分出的另一路激光，对该路激光进行信号波长的标定，然后进行时域-频域转换。

该处理系统接收接收端和干涉仪9的信号进行对比分析和计算，然后根据得到的原子浓度对待测模型3的催化复合特性进行有效表征。

具体测量过程如下：

首先利用高焓风洞模拟高超声速飞行器周围的高焓离解气体环境，流入气体经加热器1加热和喷管2加速后吹出，待测模型3在高焓风洞运行稳定后送入，且保持在离喷管2出口一定距离的喷管2中心轴线处，需要保证待测模型3被喷出的高温气体均匀区完全覆盖，待测模型3的外形尺寸可根据高焓风洞的来流均匀区确定。经过待测模型3后的高温气体经另一侧的真空系统收集后排出高焓风洞外。

激光器4可以是分布布拉格反射式(DBR)激光器、分布反馈式(DFB)激光器或外腔式激光器中的一种，输出线宽需要小于10MHz，中心波长与待测模型3的原子吸收谱线一致。信号发生器6用于产生周期性锯齿波信号，使激光控制器5以该周期信号调制激光器4电流，使激光器4以特定扫描频率输出目标吸收线波长，激光器4输出的激光在扫描周期内覆盖目标原子吸收线。这里的吸收线波长可为氧原子吸收线λ

光束器7将激光器4发出的激光分成两路，其中一路用于穿过待测模型3端面处的待测流场，另一路作为标定光路穿过干涉仪9，干涉仪9采用法布里-珀罗干涉仪，自由光谱区为FSR＝1.5GHz，波长覆盖特定目标原子的吸收线，其产生的干涉信号可以实现采样时间向绝对波长的转换。在干涉仪9接收激光的前方设置有汇聚激光的聚焦透镜8，干涉仪9对汇聚后的激光进行时域-频域转换，光电探测器10用于接收穿过干涉仪9的激光，并将收集的信号传递给处理系统16。

由于高焓风洞内部为高温气体，因此，发送和接收激光的设备分别安装在高焓风洞外，在高焓风洞两侧边与待测模型3对应的位置上分别开有通孔，在通孔内封闭安装有透明观察窗18、19。用于穿过待测模型3的一路激光，穿过这一侧的观察窗18后进入高焓风洞内，紧贴待测模型3的前端端面(朝向待测流场一侧)后进入另一侧的观察窗19。

具体的发射端包括准直器11，准直器11对经过分束器7分出的激光进行聚焦，然后激光经观察窗18进入高焓风洞内并由另一侧的观察窗19处穿出；接收端包括位于高焓风洞另一侧依次对接收的激光进行汇聚的聚焦透镜12、过滤背景辐射噪声的窄带滤波片13，和收集激光信息并传输至处理系统16处的光电探测器14。

处理系统16对光电探测器14和干涉仪9发送的两路探测信号进行处理，定量获得待测模型3表面沿光程平均的原子浓度，然后将原子浓度与相同实验条件下得到的完全催化材料Cu和完全非催化材料SiO

这里材料表面催化特性即是用来描述材料表面对气相原子复合速率强弱的物理量。在气动热防护领域的研究中，通常将材料Cu和材料SiO

具体对比过程为：通过本发明给出的方式，计算并对比分析多种防热材料表面的原子浓度，其中，表面原子浓度高的材料催化特性较弱，反之则较强；将各防热材料的表面原子浓度分别与完全催化材料Cu的表面原子浓度相比，其中相差最小者，在各防热材料中催化特性最强，将各防热材料的表面原子浓度分别与非完全催化材料SiO

在本实施方式中，为方便调整激光与测量模型3之间的位置，发射端和接收端同时安装在一个精密位移台15上，位移台15可在平行于喷管2轴线方向上移动，调整由准直器11输出的激光相对待测模型3之间的距离。

进一步的，远程终端17可作为整个实验的控制中心，其接收处理系统16的计算结果，并实现高焓风洞运行状态和激光测量系统的同步触发，并同步调整流入高焓风洞的气流参数。

本实施方式利用激光吸收光谱技术，实现真实气动热环境下材料表面原子浓度的定量测量，弥补了现有“风洞测试法”和“光能强度对比法”无法直接测量原子浓度的空白，能够为基于微观原子角度材料表面催化特性的定量评估提供可靠的数据支撑。

采用非接触式测量的方式不干扰待测流场，可靠性高，可实现真实气动热环境下材料表面原子浓度的持续、长时测量。

在本发明的一个实施方式中，公开一种用于前述防热材料表面催化特性评价系统的评价方法，现以氧原子为参考说明计算过程：

经加热器加热的气体在喷出过程中，气体分子离解为原子，其中的氧原子在待测模型表面发生催化复合反应，使表面附近氧原子浓度发生改变；

利用获取的氧原子吸收光谱信息，优选出多普勒展宽Δv

具体推导过程如下：

频率v(cm

(I

式中k

其中吸收系数k

k

其中n

∫φ(v)dv≡1

S

对吸收谱线进行Gauss拟合，通过寻优的方法提取出多普勒展宽Δv

根据提取出的多普勒展宽Δv

吸收系数k

α

积分吸收率A为α

A＝∫α

结合气流温度T和积分吸收率A可以计算出低能级氧原子浓度n

准平衡条件下，原子能级的分布符合玻尔兹曼分布，氧原子总浓度n

通过上述方式计算并对比分析多种防热材料的表面原子浓度，其中，表面原子浓度高的材料催化特性较弱，反之则较强；将各防热材料的表面原子浓度分别与完全催化材料Cu的表面原子浓度相比，其中相差最小者，在各防热材料中催化特性最强，将各防热材料的表面原子浓度分别与非完全催化材料SiO

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。