多孔C/C材料發汗冷卻實驗研究①

孟松鶴，黨曉雪，丁小恒，金華，朱燕偉

(哈爾濱工業大學 復合材料與結構研究所，哈爾濱 150080)

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多孔C/C材料發汗冷卻實驗研究①

孟松鶴，黨曉雪，丁小恒，金華，朱燕偉

(哈爾濱工業大學 復合材料與結構研究所，哈爾濱 150080)

發汗冷卻是解決高超聲速飛行器關鍵部位熱防護問題的有效方法，文章開展了以未完全致密化C/C材料作為多孔介質、水作為冷卻劑的發汗冷卻實驗研究。設計并制備了發汗冷卻平頭實驗模型，分別在熱流密度1.1 MW/m2和1.45 MW/m2的氧-丙烷熱結構考核條件下，通過測量模型內外壁溫度響應，評估其發汗冷卻速率。實驗結果表明，冷卻劑的引入極大地降低了模型內外壁溫度，外壁面冷卻速率高達8.8 ℃/s以上，未出現明顯燒蝕現象。內壁面溫度均保持在水沸點100 ℃以下，達到了可重復使用、耐長時加熱的熱防護要求,進一步表明了發汗冷卻的巨大應用潛力。

主動防熱；發汗冷卻；多孔介質；實驗表征

0 引言

高馬赫數下持續的高超聲速飛行，為飛行器尖銳前緣[1]、再入迎風面[2-3]和推進系統[4-9]等耐受高熱載荷區域的熱防護工作帶來巨大挑戰，是現代熱防護問題研究的關鍵。例如，高速飛行中前緣結構、火箭發動機燃燒室與噴管壁面所承受的峰值熱載荷量級約1～10 MW/m2，戰略武器彈頭再入時其駐點峰值熱載荷可達50 MW/m2。在如此高熱載荷下，燒蝕防熱材料體系的發展已經較為成熟。但隨著飛行任務模式的不斷發展，在飛行器動力學特性及整體性能要求下，燒蝕型防熱仍然有局限性，難以滿足高機動、可重復的設計需求。

主動冷卻[10]作為一種可重復使用的TPS設計，從20世紀60年代以來就受到了極大關注。多孔發汗冷卻[11]類似于自然界中植物葉片的蒸騰過程，是主動冷卻的一種，其冷卻能力高達60～1 400 MW/m2。其中多孔介質[12]，如燒結金屬或CMC等，具有一定數量的孔隙，孔隙平均直徑約10～100 μm，壁厚約1～10 mm，通過泵/閥/管路設計，使冷卻劑流過防熱材料內部孔隙，憑借這一強迫對流過程參與換熱、實現對防熱材料的冷卻。目前，多孔介質發汗冷卻實驗研究已有一定的基礎。例如，德國DLR在SHEFEX-II飛行試驗中加入了平板發汗冷卻實驗區域[13-16]，研究馬赫數約12環境下主動冷卻控制效果。清華大學劉元清等[17]分別使用空氣、氮氣、二氧化碳和氦氣作為冷卻劑，研究注入率(冷卻流與主流質量流速的比值)、進口溫度和Re數對鼻錐熱防護的影響。并對不同孔徑的燒結不銹鋼平板[18]在不同空氣注入率下壁面溫度和冷卻效率進行了研究。Langener T[19]在馬赫數為0.3～0.7的亞音速主流中，研究了不同氬氣、氦氣注入率對C/C平板壓力/溫度分布和冷卻效率的影響。

發汗冷卻所用的冷卻劑通常為氣體或液體，兩者各具優勢。氣體冷卻劑在通過微細孔隙時摩擦阻力更低，且氣體的可壓縮特性使其可高壓儲存大量工質，簡化了泵驅動設計。而相較于氣體，液體冷卻劑則可利用其相變潛熱，擁有比依靠物質比熱容溫升蓄熱高出幾個數量級的儲能容量。水在所有液體中具有最高汽化熱2 260 kJ/kg，且來源豐富、無毒、易于操作，具有極大的發展潛力。國外對使用水作為冷卻劑的發汗冷卻實驗已具有一定的研究基礎。Arnold[20]研究了氧化鋁陶瓷鼻錐模型使用液態水和氮氣作為冷卻劑的冷卻效率，證實了水作為冷卻劑的極大潛力。Thomas[21]研究了CMC平頭模型在高超聲速主流下使用水作為冷卻劑的壁面溫度分布。

目前，國內關于發汗冷卻的實驗研究已具有一定基礎[22-26]，但其中多孔介質多為燒結金屬，冷卻劑多為氣體，針對使用C/C材料作為多孔材料、水作為冷卻劑的實驗研究較少見于公開文獻中。基于此，本文針對以水作為冷卻劑的多孔C/C的發汗冷卻系統，開展了結構設計和實驗研究，考查了多孔C/C內外壁溫度響應并計算了其平均冷卻速率，并針對實驗中遇到的問題，提出了若干工程化建議。

1 實驗系統

本實驗物理模型如圖1所示，多孔介質采用未完全致密化(經過3次低壓碳化)的細編穿刺C/C，材料密度1.7 g/cm3。腔體由高強石墨與304不銹鋼構成，用以裝卡被試多孔介質并貯存冷卻劑來流，使用高溫無機膠對整個模型結構進行密封。該平頭模型表面正對氧丙烷燃氣火焰來流，冷卻劑水流經模型不銹鋼貯箱流入多孔壁面，以達到發汗冷卻的效果。

多孔介質被試材料選用平頭圓柱模型，直徑30 mm，以期完全包罩于火焰流場中，盡可能達到整個表面條件均勻，以研究發汗冷卻作用下材料本征特性，為今后進一步針對多孔介質換熱過程的深入研究奠定理論，并可對各種應用背景下的結構件試驗研究提供設計輸入。

實驗系統示意圖如圖2所示，共分為2個部分，丙烷氣體與氧氣在管道中按一定比例預混后，并在噴口處點燃，火焰在試件表面形成繞流，加載到C/C多孔介質壁面的熱流邊界條件；水流由壓力水泵驅動，由浮子流量計精確控制流量后，注入發汗冷卻試驗件的冷卻劑貯箱，并滲透通過介質空隙，達到材料表面，實現對多孔材料的發汗冷卻。

圖1 發汗冷卻實驗物理模型Fig.1 Physical model of the transpiration cooling experiment

圖2 發汗冷卻實驗系統圖Fig.2 System of the transpiration cooling experiment

實驗的溫度采集系統分為兩部分：通過在多孔材料壁面內埋入熱電偶，經由采集裝置進行記錄，得到多孔材料內壁溫度；通過紅外線測溫儀進行非接觸式的測量，得到多孔材料外壁溫度。實驗過程中，采用2臺紅外線測溫儀。其中，一個是單色紅外測溫儀，其測溫范圍為250～1 300 ℃；另一個是高溫比色測溫儀，其測溫范圍為800～2 200 ℃。采用K型熱電偶(使用溫度為-200～1 300 ℃)。

2 實驗

2.1 壓汞實驗

壓汞法是利用汞的表面張力和非潤濕性測試C/C多孔材料孔徑分布規律的一種方法。實驗前，首先利用壓汞法對C/C多孔材料孔隙率、孔隙尺寸和分布進行測量。全自動壓汞儀通過不斷的加壓，使汞進入多孔C/C孔隙中直至飽和，可得到壓汞體積對數與孔洞直徑的關系，如圖3所示。從圖3中可看出，孔洞直徑主要分布在60 μm，可認為這些大孔主要是基體內部的孔洞和界面層的脫層；另外，在5 μm附近存在一個明顯的波峰群，由于纖維單絲的直徑約為6 μm，基本可確定圖中1～10 μm的小孔洞主要是纖維束內部的纖維斷絲形成的孔隙。最終得到C/C多孔材料的總孔洞面積為10.57 m2/g，平均孔洞直徑為41 μm，集中孔洞直徑為60 μm，孔隙率為59.78%。

圖3 壓汞體積對數與孔洞直徑關系曲線Fig.3 Curve of log differential intrusion vs pore size diameter

2.2 滲透實驗

實驗前，完成對試件、數據采集系統(熱電偶、紅外線測溫儀等)、泵、閥的調試工作。檢測C/C多孔材料的冷卻劑滲透情況，如圖4所示。從圖4中可清晰地觀察到材料表面均勻分布的液滴，證明在當前的孔隙分布與試件尺寸下滲透良好。

圖4 C/C多孔材料表面滲透情況Fig.4 Situation of water seepage in the C/C porous sample

2.3 多孔介質發汗冷卻實驗

多孔介質發汗冷卻是指由液態或氣態冷卻劑從多孔壁的“冷”面進入多孔介質，由于毛細壓力的作用，使冷卻劑流至結構中任何孔隙中，最終流過多孔壁到達“熱”面，經過一系列物理/化學變化，在熱表面進行換熱，以降低材料本身的溫度,進而達到熱防護的目的。多孔介質發汗冷卻主要包括以下2種熱防護機制(圖5)：(1)冷卻劑流經多孔介質時，通過對流換熱達到冷卻的目的；(2)當冷卻劑從多孔壁的“熱”面滲出，并注入到壁面外的高溫主流流體邊界層內，會形成一層氣膜，將弱化壁面與高溫主流流體的直接換熱，稱其為“熱阻塞效應”(blocking)。另外，本實驗采用水作為冷卻劑，還可利用汽化相變熱，水是液體中具有最高汽化潛熱的物質，高達2 260 kJ/kg。

(a) 對流換熱 (b) 熱阻塞效應

實驗設計：先打開冷卻劑閥門，讓水流緩慢充滿整個貯箱后關閉閥門，此時壓力較小，尚無法在試件孔隙中充分滲透至表面。其目的是為了形成冷卻水在貯箱中的“待用”狀態，使其在實驗中的時間控制點加壓后，水流能迅速地向試件表面滲透，避免了開啟閥門后水流流經管路的響應時間。點火后，依照流場校準的參數調節丙烷-氧氣流量，進而控制表面熱流密度。狀態穩定后，待試件表面迅速升溫至高于1 000 ℃時，開啟水泵驅動冷卻水滲透試件，觀察試件的內外壁冷卻效果。為研究發汗冷卻技術的冷卻能力，對其進行了高溫實驗研究。實驗采用氧/丙烷燃氣火焰加載，進行了3次實驗，第一次實驗冷壁熱流密度達到1.1 MW/m2(使用gardon量熱計校準)，第2、3次1.45 MW/m2。冷卻劑流量維持在0.2～0.3 L/min之間。表1為發汗冷卻實驗參數。圖6為發汗冷卻狀態下的C/C多孔實驗件。

表1 發汗冷卻實驗參數Table 1 Experimental parameters of transpiration cooling

圖6 氧/丙烷燃氣加熱中的C/C多孔實驗件Fig.6 C/C porous sample under the heating of oxygen-propane flame

3 實驗結果與分析

第1、2次實驗的外/內壁面溫度如圖7、圖8所示。實驗過程中，先不通入冷卻劑，使C/C材料達到一定的溫度響應；之后，通入一定流量的冷卻劑，觀察材料內外壁冷卻效果。觀察圖7，實驗1中，在t=61 s時，通入冷卻劑，外壁面溫度迅速開始下降，在61～73 s這13 s的過程中，由651.5 ℃降至496.5 ℃，平均冷卻速率達到11.9 ℃/s。之后，外壁面溫度一直在該溫度上下震蕩，這是由于加熱系統與冷卻系統在此種熱流和冷卻劑流量狀態下達到平衡，使得結構溫度響應能夠一直保持在500 ℃左右。為了打破這一平衡，觀察到更明顯、更完整的發汗冷卻降溫過程，在實驗2中，將熱流密度由原來的1.1 MW/m2提高到1.45 MW/m2。實驗2中，在t=95 s時，通入冷卻劑，在95～178 s這84 s的過程中，外壁溫由1 171 ℃的高溫降至431.5 ℃，平均降溫速率達到8.8 ℃/s，冷卻是迅速、有效的。由圖7中可觀察到，實驗1的外壁面冷卻速率高于實驗2的。可見，對于相同流量的冷卻劑，待冷卻溫度越高，冷卻速率越低，所需的冷卻時間越長。

圖7 C/C多孔實驗件外壁面溫度Fig.7 External wall temperature of the C/C porous sample

觀察第1、2次實驗的內壁面溫度可看出，如圖8所示。實驗1中，隨著外壁面溫度的不斷升高，內壁面溫度也在不斷地攀升，當外壁面溫度達到最高651.5 ℃時，內壁面溫度也相應地達到了513.7 ℃的高溫。這是由于剛開始實驗時，貯箱內待用冷卻劑較少，此時的防熱主要由C/C材料本身的性質決定。之后，隨著通入大量的冷卻劑參與換熱，內壁面的溫度迅速下降到100 ℃以下，且一直保持，未超過水的沸點。實驗2中，可觀察到內壁面的溫度均保持在100 ℃以下。這主要是由于多孔材料孔隙中殘留有第一次實驗的冷卻劑，所以不如第一次實驗中內壁面溫度在未通入冷卻劑時的明顯攀升。降溫過程快速、平緩。在實驗3中，依然保持熱流1.45 MW/m2，但隨著熱量的累積，流體貯箱中的水蒸氣不斷增加，壓力也不斷增加，然而多孔材料的滲透能力是一定的，最終由于貯箱內蒸汽壓力過大造成了C/C多孔材料與石墨套的密封處發生損壞，破壞了結構的密封性。同樣，隨著熱量的不斷累積，貯箱的不銹鋼與石墨連接處出現熱失配問題，造成了一定程度的漏水。

(a) 實驗1

(b) 實驗2

4 結論

(1)發汗冷卻對C/C多孔壁面能夠進行有效的熱防護。保持水流流量0.3 L/min，在主流熱流密度1.1 MW/m2的情況下，外壁面溫度在13 s過程中，由651.5 ℃降至496.5 ℃，平均冷卻速率為11.9 ℃/s。

(2)在水流流量0.25 L/min，主流熱流密度1.45 MW/m2的情況下， C/C多孔外壁面未發現明顯燒蝕情況。溫度在84 s內由1 171 ℃高溫降至431.5 ℃，降低了739.5 ℃，平均冷卻速率為8.8 ℃/s，冷卻是迅速的、高效的。而且內壁面溫度一直保持在100 ℃以下，未超過冷卻劑的沸點。所以，發汗冷卻是解決高超聲速飛行器關鍵部位熱防護問題的有效方法。

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(編輯：薛永利)

Transpiration cooling tests of porous C/C

MENG Song-he,DANG Xiao-xue,DING Xiao-heng,JIN Hua,ZHU Yan-wei

(Center for Composite Materials and Structure,Harbin Institute of Technology,Harbin 150080,China)

During hypersonic flight，the temperatures of the vehicle can reach extremely high values in the critical parts. To solve thermal protection problem for the critical parts,series of transpiration cooling experiments using not-fully-densified C/C material as porous media and water as coolant were carried out. A flat model was designed and produced,then the sample's cooling rate was evaluated under the oxygen-propane flame in heat flux of 1.1 MW/m2and 1.45 MW/m2respectively by measuring the internal and external wall temperature. The results of the experiment indicate that the coolant can greatly reduce the wall temperature,the cooling rate of external wall is up to 8.8 ℃/s at least，and the internal wall temperature maintains below 100 ℃. No obvious ablation in the external wall is founded,which meets the requirements of reusable and long-time heat protection. The results show the enormous application potential of transpiration cooling.

active cooling;transpiration cooling;porous media;experimental characterization

2013-12-17；

：2014-02-20。

孟松鶴(1969—)，男，教授，研究方向為熱防護材料性能表征與評價。 E-mail:mengsh@hit.edu.cn

V258

A

1006-2793(2015)01-0102-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.020