[发明专利]一种防热材料表面催化特性评价方法及系统

说明书

本发明提供一种防热材料表面催化特性评价方法及系统，该评价系统包括：待测模型；高焓风洞；激光器，在信号发生器的控制下以指定扫描频率输出激光，且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；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，弥补了现有技术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。

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，