劉建方 胡堅勇 孫慧娟 李明偉

(1.北京航天動力研究所,北京 100076； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué), 哈爾濱 150001)

發(fā)動機氣瓶熱防護產(chǎn)品絕熱性能評定研究

劉建方1胡堅勇1孫慧娟1李明偉2

(1.北京航天動力研究所,北京 100076； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué), 哈爾濱 150001)

通過批抽檢熱真空試驗，能夠評定發(fā)動機氣瓶熱防護產(chǎn)品的絕熱性能，由于試驗設(shè)備和試驗工藝過程對產(chǎn)品溫升會產(chǎn)生巨大影響，依據(jù)絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測試方法，在試驗方法不變的條件下，提出新的試驗評定要求：穩(wěn)態(tài)過程中產(chǎn)品溫升速率。新的產(chǎn)品測試評定要求，能夠客觀準(zhǔn)確的評定產(chǎn)品的隔熱性能，排除設(shè)備和工藝過程對評定結(jié)果的影響。此評定方法也可用于形狀不規(guī)則、厚度不一致的整件產(chǎn)品絕熱性能評定。 關(guān)鍵詞 復(fù)合結(jié)構(gòu) 熱防護 絕熱性能 產(chǎn)品測試

1 引 言

發(fā)動機上的高壓氣瓶貯存著火箭低溫液體發(fā)動機的吹除和控制氣體，在火箭飛行過程中通過兩位三通電磁閥的通斷來實現(xiàn)氣瓶向發(fā)動機供應(yīng)吹除和控制氣體。早期高壓氣瓶使用金屬材料制成，其中應(yīng)用最多的是鈦合金，TC4鈦合金球形氣瓶已經(jīng)非常成熟。某型發(fā)動機的鈦合金氣瓶在火箭飛行過程中承受著多個系統(tǒng)造成的綜合熱環(huán)境影響，熱環(huán)境產(chǎn)生劇烈加熱作用，使氣瓶的溫度快速升高。氣瓶溫度升高會導(dǎo)致氣瓶抗拉強度降低和氣瓶內(nèi)氣體的壓力升高，從而會導(dǎo)致氣瓶的安全系數(shù)和可靠性降低，給飛行帶來巨大隱患。為了減少發(fā)動機飛行熱環(huán)境對氣瓶的影響，研制了柔性輕質(zhì)多層復(fù)合結(jié)構(gòu)氣瓶熱防護層，包覆氣瓶，通過仿真計算分析和試驗驗證，熱防護層能夠保證將氣瓶溫度控制在氣瓶使用溫度范圍內(nèi)，提高氣瓶安全可靠性，保障飛行安全。

為了保證產(chǎn)品可靠性，在產(chǎn)品的生產(chǎn)交付過程中制定了批產(chǎn)品熱真空抽檢試驗要求。試驗方法為：在真空條件下，氣瓶包覆熱防護層產(chǎn)品后，在防護層和氣瓶的外側(cè)分別設(shè)置溫度側(cè)點，真空條件下通過加熱使防護層外側(cè)測點溫度至少達到500℃，保持一定時間，通過內(nèi)側(cè)測點測量氣瓶殼體溫升判定產(chǎn)品的綜合絕熱能力。測試過程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)測點溫升受到測試過程中外側(cè)(0～500)℃溫升時間影響比較大，試驗過程中(0～500)℃溫升時間長短嚴(yán)重影響測試結(jié)果，而溫升時間受設(shè)備的加熱能力制約，不能保證測試的一致性，在試驗過程中溫升時間存在較大散差，為了更準(zhǔn)確測試復(fù)合結(jié)構(gòu)氣瓶熱防護層的綜合絕熱性能，排除測試設(shè)備和測試工藝過程對測試性能影響，需研究其它性能評定方法來客觀準(zhǔn)確評定產(chǎn)品的絕熱性能。

2 氣瓶熱防護層產(chǎn)品

鈦合金氣瓶熱防護層產(chǎn)品是由中間層低熱導(dǎo)材料和兩側(cè)高反射率材料間隔復(fù)合而成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)熱防護層，復(fù)合結(jié)構(gòu)熱防護層共分為5層(如圖1所示)，由外及內(nèi)分別為單層石英纖維布、單層鋁箔、柔性隔熱氈、單層鋁箔和單層石英纖維布，五層材料通過石英纖維線縫合而成。為了裝配需要，在使用過程中由復(fù)合材料隔熱層制作而成的三件隔熱片，分別為上半球左側(cè)，上半球右側(cè)，下半球，通過三件復(fù)合結(jié)構(gòu)熱防護層貼合在氣瓶外側(cè)完全包覆氣瓶，此種設(shè)計能夠保證復(fù)合材料隔熱層完全包覆氣瓶外壁，且裝配方便。氣瓶熱防護層產(chǎn)品能夠隔絕對流傳熱和輻射傳熱，實現(xiàn)對氣瓶的有效熱防護。

3 氣瓶熱防護層性能測試方法

一般來說，采用試驗方法確定材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法主要分為兩大類：穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是在加熱側(cè)和散熱側(cè)達到熱流平衡狀態(tài)，產(chǎn)品內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度分布后進行測量。穩(wěn)態(tài)法測量準(zhǔn)確，測量過程時間長。非穩(wěn)態(tài)法則是指產(chǎn)品內(nèi)的溫度分布是隨著時間變化而變化的非穩(wěn)態(tài)溫度場。非穩(wěn)態(tài)法測量準(zhǔn)確度差，測量過程時間短。

3.1 氣瓶熱防護層性能測試

常規(guī)絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)測量方法很多，主要原理如圖2所示。測量過程中取一定面積、形狀規(guī)則、表面平整、厚度均勻的絕熱材料，在絕熱材料的高溫側(cè)加熱源，低溫側(cè)加冷源，達到熱平衡后，絕熱材料內(nèi)部形成穩(wěn)定的溫度梯度，通過絕熱材料兩測溫度Th和Tl、低溫側(cè)傳熱量和絕熱材料的形外形參數(shù)即可計算出絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)。該測量方法屬于穩(wěn)態(tài)法[1]，測量準(zhǔn)確度高。

氣瓶熱防護層產(chǎn)品使用多種原材料，采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，并且最后通過裝配形成整件熱防護產(chǎn)品，由于氣瓶熱防護層產(chǎn)品自身結(jié)構(gòu)的厚度差別和外形特殊性，不能直接采用導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)測試方法，為了達到快速準(zhǔn)確測試產(chǎn)品絕熱性能，初期采用了非穩(wěn)態(tài)法測量方法。

鈦合金氣瓶熱防護層為五層結(jié)構(gòu)，研制初期完成了發(fā)動機級熱真空試驗，依據(jù)試驗結(jié)果，制定了產(chǎn)品批抽檢試驗要求。為了保證測試和使用條件的一致性，要求在真空條件下測試，測試過程真空度達到7×10-3Pa，氣瓶在包覆熱防護層后，在防護層的外側(cè)設(shè)置溫度側(cè)點(T1)，在氣瓶的內(nèi)側(cè)設(shè)置溫度側(cè)點(T2)，通過加熱使外側(cè)溫度測點溫度至少達到500℃以上，保持一定時間，通過氣瓶的內(nèi)側(cè)測點(T2)測量氣瓶溫升判定產(chǎn)品的綜合絕熱能力。試驗的主要設(shè)備為ECM真空高壓氣淬爐(如圖3所示)，該設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)：

爐膛工作尺寸：1000mm×600mm×600mm

工作真空度：2×10-3Pa

最高工作溫度：1350℃

該設(shè)備工作真空度最高能達到2×10-3Pa, 最高工作溫度1350℃,能夠充分滿足試驗的真空度和溫度要求。在試驗過程中氣瓶在包覆熱防護層后放入爐內(nèi)支撐板上。

鈦合金氣瓶熱防護層產(chǎn)品抽檢測試過程中，防護層的最外側(cè)和最內(nèi)側(cè)分別設(shè)置溫度側(cè)點，分別為外側(cè)測點(T1)和內(nèi)測測點(T2)，外側(cè)測點測量鈦合金氣瓶熱防護層外表面溫度，內(nèi)側(cè)測點測量鈦合金氣瓶殼體溫度，由于鈦合金氣瓶熱防護層內(nèi)表面與鈦合金氣瓶貼合，內(nèi)側(cè)測點測量溫度也等于熱防護層內(nèi)表面溫度。通過加熱作用使外側(cè)溫度測點溫度至少達到500℃以上，保持一定時間，通過內(nèi)側(cè)測點測量氣瓶溫升判定熱防護產(chǎn)品的綜合絕熱能力。試驗過程試驗產(chǎn)品布置如圖4所示。

在傳統(tǒng)思想中，國內(nèi)播音主持人應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)且流利的普通話，這是播音工作的基本要求。但是，在實際工作當(dāng)中，很多播音主持帶有濃重的口音，如東北腔、港臺腔等標(biāo)志都極為明顯，甚至一些小的地方廣播電臺會選擇使用地方語言進行節(jié)目錄制。除此之外，播報方式也發(fā)生了許多改變，曲解了生動、幽默的本意，過多地將播音的內(nèi)容變得生活化、口語化。

兩次試驗的試驗結(jié)果如圖5所示。對試驗結(jié)果分析，在第一次試驗過程中氣瓶殼體初始溫度為17.9℃，防護層外側(cè)通過239s加熱達到500℃，如圖5中A點所示，氣瓶殼體溫度為17.5℃，加熱一段時間后溫度輕微降低原因可能是在高真空下材料內(nèi)部水分或其它物質(zhì)逐漸揮發(fā)，物質(zhì)的揮發(fā)帶走部分熱量，而此時加熱產(chǎn)生的熱量還未通過防護層傳導(dǎo)給氣瓶殼體，所以呈現(xiàn)出氣瓶殼體溫度不升反降的現(xiàn)象，加熱1 360s后所示熱防護層達到熱流穩(wěn)定狀態(tài)，氣瓶殼體溫度為24.7℃，如圖5中D點所示；在第二次試驗過程中氣瓶殼體初始溫度為22.7℃，防護層外側(cè)通過580s加熱達到500℃，如圖5中B點所示，氣瓶殼體溫度為21.9℃，到1 510s時，熱防護層達到熱流穩(wěn)定，氣瓶殼體溫度為30.1℃，如圖5中C點所示。詳細數(shù)據(jù)見表1。

在兩次試驗過程中，初期加熱T2有微小溫度波動過程，隨著加熱過程持續(xù)，氣瓶殼體溫度逐漸升高，達到某一狀態(tài)點后，即穩(wěn)態(tài)點，氣瓶殼體溫度變化與時間變化開始成線性關(guān)系，即氣瓶的溫度變化率恒定，證明通過熱防護層的熱流密度穩(wěn)定。由數(shù)據(jù)分析可知，在加熱和保溫過程中，加熱過程氣瓶殼體升溫小，保溫過程溫升大。

試驗代號時間(s)氣瓶殼體溫度T1=500℃熱流穩(wěn)定試驗結(jié)束試驗初始T1=500℃熱流穩(wěn)定試驗結(jié)束保溫過程溫升(℃)test12501360225017．917．524．641．524test25901510256022．721．930．15937．1

3.2 氣瓶熱防護層性能測試局限性

由于在氣瓶熱防護層性能測試過程中防護層內(nèi)外均裝有溫度測點，通過理論分析能夠計算熱防護層的傳熱量。溫度梯度、導(dǎo)熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱量三者之間的關(guān)系由傅里葉定律[2]給出，導(dǎo)熱量計算公式如式(1)所示

(1)

氣瓶通過防護層的傳熱溫度升高，吸收的熱量可通過式(2)計算

(2)

熱防護層為非金屬低密度絕熱材料，比熱容與金屬近似，而瓶體的質(zhì)量遠大于防護層的質(zhì)量，因此熱防護層熱容遠小瓶體熱容。達到穩(wěn)態(tài)后氣瓶防護層單位時間內(nèi)吸收的熱量恒定，即熱流密度恒定?？山普J為通過熱防護層的熱量等于氣瓶吸收的熱量，即防護層不吸熱，熱平衡計算如式(3)所示。

(3)

在上式中由于防護層內(nèi)外層溫度差別很大，可近似認為測試過程中溫度梯度為定值，因此熱防護層的導(dǎo)熱系數(shù)與氣瓶溫度變化率成線性關(guān)系。由于熱防護層產(chǎn)品與單獨的熱防護層差別很大，在裝配過程中依據(jù)裝配的需要，產(chǎn)品有重疊，不同位置厚度差別很大，產(chǎn)品型面不規(guī)則，溫度梯度不能準(zhǔn)確計算出來，所以也無法準(zhǔn)確計算出綜合導(dǎo)熱系數(shù)。但是通過上述理論分析，能夠通過氣瓶殼體溫度變化率定量評定整件熱防護層的絕熱性能。

4 氣瓶熱防護層性能評定

通過兩次試驗，第一次試驗測定數(shù)據(jù)符合批抽檢要求，而第二次試驗結(jié)束時T2溫度達到59℃，T1溫度達到500℃時T2溫度為21.9℃；試驗結(jié)束時T2超要求上限值2.1℃，第二次試驗達到穩(wěn)態(tài)點后氣瓶殼體溫度變化率為0.027 5℃/s，而第一次試驗溫度變化率為0.019℃/s，由此可知，第二次試驗材料的綜合導(dǎo)熱率超過第一次試驗材料的綜合導(dǎo)熱率，第二次試驗產(chǎn)品的綜合隔熱性能劣于第一次試驗產(chǎn)品的綜合隔熱性能。第二次試驗過程中材料熱流穩(wěn)定后，溫度變化擬合線為CE(如圖6所示)，最高點溫度為E點，而要求溫度上限為F點，連接CF，如果第二次試驗穩(wěn)定后升溫擬合線為CF，則測試合格，CF線的溫度變化率為0.025 5℃/s，所以通過對試驗結(jié)果的分析，可以采用熱流穩(wěn)定后的溫度變化率為產(chǎn)品性能評價指標(biāo)，而本次試驗過程中氣瓶殼體溫度達到而略超溫度測量要求上限，通過升溫線擬合線計算上限，可接受產(chǎn)品溫度變化率上限為0.025 5℃/s，取兩位有效數(shù)據(jù)，溫度變化率上限為0.025℃/s。

5 結(jié)束語

常規(guī)絕熱材料的絕熱性能評定方法比較成熟，而對絕熱產(chǎn)品的絕熱性能量化評定難度很大。通過理論分析和熱真空試驗研究，熱流穩(wěn)態(tài)過程中的瓶體溫度隨時間的變化率能夠客觀準(zhǔn)確的反映產(chǎn)品的絕熱性能，能夠作為發(fā)動機氣瓶熱防護層產(chǎn)品的絕熱性能的量化評價方法，該評定方法能夠排除設(shè)備的加溫能力和測試工藝過程的影響，也可用于其它形狀不規(guī)則、厚度不一致的整件產(chǎn)品絕熱性能評定。

[1] 陳鵬偉.非導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)測量方法研究[D].西安:西安理工大學(xué)，2011：11～12．

[2] 趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002：17～17．

The Evaluating Research on Heat-insulating Property of ThermalProtection Products Used on the Engine′s Gas Cylinders

LIU Jian-fang1HU Jian-yong1SUN Hui-juan1Li Ming-wei2

(1.Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100076, China； 2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001, China)

The heat insulating property of thermal protection products used on the engine′s gas cylinders is evaluated through sampling test under thermal vacuum environment. The product temperature rise which is evaluation requirement is affected seriously by the equipment and engineering process. According to the test method in the heat conductivity coefficient of the insulation material, temperature rising rate as a novel test requirement of evaluating the property of the products is acquired under the same testing process. This method can evaluate heat-insulating property accurately and objectively, and it can eliminate the interference factors in the equipment and engineering process. The heat insulating property of out-of-shape thermal protection products with non-uniform thickness also can be evaluated by the method.

Composite structure Thermal protection Heat-insulating property Product test

2016-08-23，

2016-12-06

劉建方(1980-)，男，工程師，主要研究方向：發(fā)動機總體設(shè)計。

1000-7202(2017) 02-0026-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.06

V434+.3

A