發動機氣瓶熱防護產品絕熱性能評定研究

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.哈爾濱工業大學, 哈爾濱 150001)

發動機氣瓶熱防護產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.哈爾濱工業大學, 哈爾濱 150001)

通過批抽檢熱真空試驗，能夠評定發動機氣瓶熱防護產品的絕熱性能，由于試驗設備和試驗工藝過程對產品溫升會產生巨大影響，依據絕熱材料導熱系數測試方法，在試驗方法不變的條件下，提出新的試驗評定要求：穩態過程中產品溫升速率。新的產品測試評定要求，能夠客觀準確的評定產品的隔熱性能，排除設備和工藝過程對評定結果的影響。此評定方法也可用于形狀不規則、厚度不一致的整件產品絕熱性能評定。 關鍵詞 復合結構 熱防護 絕熱性能 產品測試

1 引 言

發動機上的高壓氣瓶貯存著火箭低溫液體發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氣瓶向發動機供應吹除和控制氣體。早期高壓氣瓶使用金屬材料制成，其中應用最多的是鈦合金，TC4鈦合金球形氣瓶已經非常成熟。某型發動機的鈦合金氣瓶在火箭飛行過程中承受著多個系統造成的綜合熱環境影響，熱環境產生劇烈加熱作用，使氣瓶的溫度快速升高。氣瓶溫度升高會導致氣瓶抗拉強度降低和氣瓶內氣體的壓力升高，從而會導致氣瓶的安全系數和可靠性降低，給飛行帶來巨大隱患。為了減少發動機飛行熱環境對氣瓶的影響，研制了柔性輕質多層復合結構氣瓶熱防護層，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，提高氣瓶安全可靠性，保障飛行安全。

為了保證產品可靠性，在產品的生產交付過程中制定了批產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品后，在防護層和氣瓶的外側分別設置溫度側點，真空條件下通過加熱使防護層外側測點溫度至少達到500℃，保持一定時間，通過內側測點測量氣瓶殼體溫升判定產品的綜合絕熱能力。測試過程中發現內側測點溫升受到測試過程中外側(0～500)℃溫升時間影響比較大，試驗過程中(0～500)℃溫升時間長短嚴重影響測試結果，而溫升時間受設備的加熱能力制約，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，為了更準確測試復合結構氣瓶熱防護層的綜合絕熱性能，排除測試設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確評定產品的絕熱性能。

2 氣瓶熱防護層產品

鈦合金氣瓶熱防護層產品是由中間層低熱導材料和兩側高反射率材料間隔復合而成多層復合結構熱防護層，復合結構熱防護層共分為5層(如圖1所示)，由外及內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，在使用過程中由復合材料隔熱層制作而成的三件隔熱片，分別為上半球左側，上半球右側，下半球，通過三件復合結構熱防護層貼合在氣瓶外側完全包覆氣瓶，此種設計能夠保證復合材料隔熱層完全包覆氣瓶外壁，且裝配方便。氣瓶熱防護層產品能夠隔絕對流傳熱和輻射傳熱，實現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熱系數的方法主要分為兩大類：穩態法和非穩態法。穩態法是在加熱側和散熱側達到熱流平衡狀態，產品內部形成穩定的溫度分布后進行測量。穩態法測量準確，測量過程時間長。非穩態法則是指產品內的溫度分布是隨著時間變化而變化的非穩態溫度場。非穩態法測量準確度差，測量過程時間短。

3.1 氣瓶熱防護層性能測試

常規絕熱材料的導熱系數測量方法很多，主要原理如圖2所示。測量過程中取一定面積、形狀規則、表面平整、厚度均勻的絕熱材料，在絕熱材料的高溫側加熱源，低溫側加冷源，達到熱平衡后，絕熱材料內部形成穩定的溫度梯度，通過絕熱材料兩測溫度Th和Tl、低溫側傳熱量和絕熱材料的形外形參數即可計算出絕熱材料導熱系數。該測量方法屬于穩態法[1]，測量準確度高。

氣瓶熱防護層產品使用多種原材料，采用多層復合結構，并且最后通過裝配形成整件熱防護產品，由于氣瓶熱防護層產品自身結構的厚度差別和外形特殊性，不能直接采用導熱系數的穩態測試方法，為了達到快速準確測試產品絕熱性能，初期采用了非穩態法測量方法。

鈦合金氣瓶熱防護層為五層結構，研制初期完成了發動機級熱真空試驗，依據試驗結果，制定了產品批抽檢試驗要求。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，在防護層的外側設置溫度側點(T1)，在氣瓶的內側設置溫度側點(T2)，通過加熱使外側溫度測點溫度至少達到500℃以上，保持一定時間，通過氣瓶的內側測點(T2)測量氣瓶溫升判定產品的綜合絕熱能力。試驗的主要設備為ECM真空高壓氣淬爐(如圖3所示)，該設備主要技術指標：

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支撐板上。

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

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

兩次試驗的試驗結果如圖5所示。對試驗結果分析，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部水分或其它物質逐漸揮發，物質的揮發帶走部分熱量，而此時加熱產生的熱量還未通過防護層傳導給氣瓶殼體，所以呈現出氣瓶殼體溫度不升反降的現象，加熱1 360s后所示熱防護層達到熱流穩定狀態，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定，氣瓶殼體溫度為30.1℃，如圖5中C點所示。詳細數據見表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，氣瓶殼體溫度逐漸升高，達到某一狀態點后，即穩態點，氣瓶殼體溫度變化與時間變化開始成線性關系，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定。由數據分析可知，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℃熱流穩定試驗結束試驗初始T1=500℃熱流穩定試驗結束保溫過程溫升(℃)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、導熱介質的導熱系數和傳熱量三者之間的關系由傅里葉定律[2]給出，導熱量計算公式如式(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，而瓶體的質量遠大于防護層的質量，因此熱防護層熱容遠小瓶體熱容。達到穩態后氣瓶防護層單位時間內吸收的熱量恒定，即熱流密度恒定。可近似認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，因此熱防護層的導熱系數與氣瓶溫度變化率成線性關系。由于熱防護層產品與單獨的熱防護層差別很大，在裝配過程中依據裝配的需要，產品有重疊，不同位置厚度差別很大，產品型面不規則，溫度梯度不能準確計算出來，所以也無法準確計算出綜合導熱系數。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，第一次試驗測定數據符合批抽檢要求，而第二次試驗結束時T2溫度達到59℃，T1溫度達到500℃時T2溫度為21.9℃；試驗結束時T2超要求上限值2.1℃，第二次試驗達到穩態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熱率超過第一次試驗材料的綜合導熱率，第二次試驗產品的綜合隔熱性能劣于第一次試驗產品的綜合隔熱性能。第二次試驗過程中材料熱流穩定后，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，所以通過對試驗結果的分析，可以采用熱流穩定后的溫度變化率為產品性能評價指標，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，可接受產品溫度變化率上限為0.025 5℃/s，取兩位有效數據，溫度變化率上限為0.025℃/s。

5 結束語

常規絕熱材料的絕熱性能評定方法比較成熟，而對絕熱產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，熱流穩態過程中的瓶體溫度隨時間的變化率能夠客觀準確的反映產品的絕熱性能，能夠作為發動機氣瓶熱防護層產品的絕熱性能的量化評價方法，該評定方法能夠排除設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則、厚度不一致的整件產品絕熱性能評定。

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

[2] 趙鎮南.傳熱學[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：發動機總體設計。

1000-7202(2017) 02-0026-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.06

V434+.3

A