[实用新型]一种极端高温环境下纳米隔热材料热振联合实验装置

说明书

技术领域

本实用新型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。

实用新型内容

本实用新型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。