[发明专利]一种热防护材料传热模型修正方法

说明书

本发明提供一种热防护材料传热模型修正方法，包括以下步骤：制造热防护材料试验件；获得热防护材料试验件的初始导热系数、比热容和密度；将热防护材料试验件安装到试验用工装上；按照试验条件对热防护材料试验件进行电弧风洞试验，测量试验过程中的试验件背面温升曲线、工装温升曲线和冷却水温升曲线；建立初始传热模型并进行传热计算；确定计算模型的边界条件；根据建立的边界条件和测试得到的试验件背面温升曲线修正热防护材料试验件的传热模型。本发明提高了热防护材料的传热模型计算的精度，并解决了同类材料不同厚度、不同温度和不同压力等不同条件下的传热问题，减少了试验的时间和经费的支出。

技术领域

本发明属于热防护材料性能评价技术领域，具体涉及一种热防护材料传热模型修正方法。

背景技术

目前，国外航天大国均在大力开展高速飞行器的研制工作，对于热防护材料及其结构在使用条件下的性能评价需求也日趋急迫。为了实现更高的结构质量比，对于热防护材料及其结构的设计方法正在由粗放的考核通过式向精细的设计验证式过渡。

该类热防护材料一般具有耐高温、低密度、非均质的特点，材料内部为多孔结构，孔隙率一般大于85％，孔径在10nm～100nm。孔结构的存在降低了材料的密度(一般不大于0.65g/cm³)和导热系数(一般不大于0.05W/m·K)，提高了材料的隔热性能，但也给评价该类材料的隔热性能带来了难题。

传统的评价材料的隔热性能一般需要材料的热物性参数作为支撑，主要包括：导热系数、比热容和密度。现有导热系数测试设备测量材料的导热系数一般采用水流量平板法或者量热计法进行测试。导热系数的测试原理是利用设备，在材料的测试方向构造一个稳定的温度梯度条件，通过测量穿过热防护材料到达热防护材料背面的热流值来计算材料的导热系数。从上述测试原理可以看出，导热系数的测试精度主要受穿过热防护材料到达热防护材料背面的热流值的测试结果影响，当热防护材料导热系数较低时，测得的热流值极小，导致系统误差增大。使用在高速飞行器上的热防护材料，一般为低密度、低导热的纳米多孔材料，在使用条件下，主要受到气流的冲刷力和压力，以及由于高速气流在表面滞止产生的高温。利用现有测试设备来测量热防护材料的导热系数主要面临以下难点：1)无法模拟气流的冲刷力和压力，气动的冲刷力和压力会在一定程度上加速热量的传递，影响材料的隔热性能；2)部分热防护材料在高温条件下会发生化学反应，产生额外的热量，影响现有设备的测量精度，因此该部分材料的导热系数无法通过设备直接测量；3)在测量该类热防护材料1000℃以上导热系数时，精度较低，无法支撑精细的设计验证式设计方法的实施；4)当前的测试设备需要材料按照特定的厚度进行测试，因此对于在测试方向上存在非均质情况的材料，测试结果不具有通用性。

电弧风洞试验是采用电弧风洞试验设备对热防护材料的隔热性能进行考核的重要方式，是目前地面试验中公认的最接近于高速飞行器飞行条件的试验方法。在进行电弧风洞试验对热防护材料隔热性能进行考核时，热防护材料一般采用嵌入式的方式放置于工装中间，即：热防护材料的底部和四周均为工装。为避免高温高速气体对工装的损坏，工装一般采用水冷设计，因此工装会从热防护材料上吸收热量，影响对热防护材料隔热性能的精确评估。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种热防护材料传热模型修正方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。

本发明的技术解决方案：

根据第一方面，提供一种热防护材料试验件，包括热防护材料和金属底板，所述的热防护材料长度和宽度的尺寸比所述金属底板的长度和宽度的尺寸大，所述的热防护材料和所述金属底板通过耐高温胶粘结。

进一步的，所述的热防材料和金属底板均采用截面为正方形的长方体。

优选的，所述的热防护材料正方形截面尺寸为100mm～150mm，厚度尺寸不小于8mm。