碳纖維增強類復合材料燒蝕產物對等離子體流場特性影響的實驗研究

袁野， 王麗燕， 曹占偉， 聶春生， 聶亮， 馬昊軍

(1.中國運載火箭技術研究院 空間物理重點實驗室， 北京 100076；2.中國空氣動力研究與發展中心 超高速空氣動力研究所， 四川 綿陽 621000)

0 引言

飛行器以極高速度在大氣層內飛行過程中，強烈的氣動加熱作用會使周圍大氣產生極高的溫度，為使飛行器內部溫度保持在允許范圍內，必須采用主動或被動熱防護技術。通過飛行器外表面材料在高溫下燒蝕，從而減少氣動加熱的燒蝕冷卻技術，是一種廣泛采用的飛行器被動式防熱方法[1]。

飛行器表面防熱材料在強烈氣動加熱導致的燒蝕過程中，表面高溫氣體存在強烈的振動、離解和電離，從而形成一個包裹飛行器的等離子體鞘層[2-3]。由于該鞘層中含有極多的自由電子，電磁信號在穿過其中時會產生強烈的衰減和失真[4]，從而引發通信中斷，即“黑障”問題[5]。同時，燒蝕產物引射到氣體邊界層中[6]，對流場的電離度、組分、焓值等特性產生進一步影響，使“黑障”現象更加復雜化。隨著近年來各種新型防熱材料的問世，針對其燒蝕過程及燒蝕產物開展研究具有重要意義。作為廣泛用于各類新型防熱材料和防熱結構的高溫燒蝕材料，碳纖維增強類復合材料包括碳/碳、碳/酚醛、碳/碳化鋯等[7-8]，國內外針對其燒蝕行為以及造成的影響開展了大量研究。

通過數值模擬的方法，文獻[9-15]研究了多種防熱材料在不同燒蝕條件下的熱解氣體流率、燒蝕量等燒蝕特性及其對流場熱化學參數、電子數密度等特性的影響規律，研究表明燒蝕產物引射到邊界層中，對于下游區域的流場影響顯著，且隨著飛行高度的增加，該影響范圍[16]逐漸擴大。

當涉及到新型防熱材料時，材料物性、化學反應機理等信息尚未完備，對氧化、相變、燃燒等過程的理解有待深入，因此難以構建準確的計算模型以開展數值模擬研究，此時，實驗研究不可或缺。近年來，隨著風洞技術的發展和測量手段的進步，相關實驗研究在甲烷風洞[17]、電弧風洞[18]以及等離子體風洞[19-20]各等類風洞設施上廣泛開展，進行了針對各類碳纖維增強類復合材料燒蝕行為的研究。上述工作盡管加深了對燒蝕材料氧化失效、微觀結構等特性的認識，但在研究不同新型燒蝕防熱材料的過程中，仍值得通過實驗進一步研究其燒蝕產物對下游流場特性的影響規律。

為分析高速等離子體流場中碳纖維增強類復合材料燒蝕行為對下游流場特性的影響規律，本文利用高頻等離子體風洞結合朗繆爾探針和柱塞量熱計的測量手段，研究了碳/碳和碳/碳化鋯兩種復合材料在不同燒蝕條件下對下游流場電離度等特性的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗設備

高頻等離子體風洞采用高頻感應加熱方式對氣體進行加熱，可以產生純凈的感應耦合等離子體高焓氣流，有效消除氣流污染對流場中電子數密度分布的影響，是開展防熱材料燒蝕產物實驗研究的理想設備[21]，本文實驗在中國空氣動力研究與發展中心高頻等離子體風洞上開展，風洞布局示意圖如圖1所示，其主性能指標為：電源功率1 000 kW；振蕩頻率440 kHz；氣流焓值5～50 MJ/kg；駐點壓力3～30 kPa；最大運行時間50 min.

圖1 高頻等離子體風洞布局示意圖Fig.1 Schematic diagram of high frequency plasma wind tunnel

為了獲得不同壓力條件下的實驗結果，在分別采用直徑80 mm噴管和直徑120 mm噴管2個實驗狀態下，將試樣材料放置在石英管中進行燒蝕。

實驗中將碳/碳和碳/碳化鋯材料加工為長度80～100 mm、直徑20 mm的圓棒，采用水冷支撐從等離子體發生器尾部將其伸入石英管中流場核心區域進行燒蝕。將試樣首尾相接，通過調整圓棒的個數實現同一實驗狀態下不同的質量燒蝕速率，獲得材料在不同質量燒蝕速率條件下噴管出口等離子體射流的流場特性測試結果。對于直徑為80 mm和120 mm的噴管，實驗時保持來流流量不變，出口速度分別約為180 m/s和80 m/s. 同時，為盡量減少因試樣個數不同對石英管中流場的影響，實驗通過調整水冷支撐的伸入長度，使不同車次中石英管中的固體長度和位置保持一致，試樣照片如圖2所示，試樣在石英管中的布置如圖3所示。采用天平測量實驗前后試樣材料的質量，結合燒蝕時間，可得到每次實驗的平均質量燒蝕速率。

圖2 燒蝕材料Fig.2 Ablative material

圖3 試樣在石英管中的布置Fig.3 Setting of sample in quartz tube

1.2 測量方法

1.2.1 電子數密度

本文采用朗繆爾探針法測量流場電子數密度。朗繆爾探針法是一種方法成熟、應用廣泛的接觸式診斷方法[21-22]，采用一個或幾個插入等離子體中的“面積小得可以忽略”的導電電極(通常是細金屬絲、金屬小球或金屬圓盤，分別稱為圓柱探針、球探針和平面探針)，通過測量等離子體流場中探針的伏安特性得到等離子體參數[23]。具體原理如下：

如果探針是孤立絕緣的，則由于電子的平均熱運動速度遠大于離子的熱運動速度，開始時單位時間內打在探針表面上的電子數遠大于離子數，探針表面逐漸積累起負電荷，使探針相對于其附近未被擾動的等離子體電位(即空間電位)差值為負值。該負電位差將排斥電子，吸引離子，在探針表面附近空間形成一個正的空間電荷層(亦稱離子鞘層)。這個空間電荷層逐漸增厚，直到最后在單位時間內到達探針表面的電子和離子數目達到平衡為止。這時探針表面的總電流為零，其表面的負電位將不再改變，此時負電位稱為懸浮電位Vs. 當外加偏置電源使探針相對于空間電位的電位差不等于懸浮電位Vs時，就會有電流通過探針。實驗測量探針電流隨偏置電壓Vb的變化，就可以得到朗繆爾探針伏安特性曲線，由此可得電子溫度。在此基礎上引入離子在鞘層邊界的平均速度(玻姆速度)，并考慮等離子體電子數密度與鞘層邊界電子數密度的關系[24-26]，最終探針附近流場的電子數密度Ne(cm-3)可由(1)式計算：

(1)

式中：Ii0為離子飽和電流(A)；Ai為柱狀探針側面積(m2)；e為元電荷，e=1.6×10-19C；kTe為電子溫度(eV)；mi為離子質量，mi≈4.98×10-26kg(對于本文實驗可近似取NO+質量)。

本文實驗所用鉬絲朗繆爾探針如圖4所示，其中探針有效部分的直徑為1 mm、長度為15 mm.

圖4 朗繆爾探針照片Fig.4 Photograph of Langmuir probe

1.2.2 駐點熱流

對于流場駐點熱流，采用直徑為50 mm的平頭柱塞量熱計進行測量，其熱流qc(W/m2)[27]可表示為

qc=ρcpl(ΔT/Δτ)，

(2)

式中：ρ為柱塞材料密度，ρ=8.93×103kg/m3；cp為柱塞溫升期間的平均比熱容，cp=3.86×102J/(kg·K)；l為柱塞長度，l=8×10-3m；ΔT為測得的柱塞溫升(K)；Δτ為溫升所用時間(s)。

為了在測量電子數密度的同時獲得燒蝕流場的駐點熱流，將熱流探頭與靜電探針同時放置在測試支架上(見圖5)。實驗中，送進系統動作2次，先后將靜電探針和熱流探頭快速送至射流中心距出口80 mm處并短暫停留，得到靜電探針伏安特性曲線和柱塞量熱計的溫升響應曲線。

圖5 熱流測試支架與靜電探針Fig.5 Heat flux test support and electrostatic probe

1.3 流場條件

本文采用直徑分別為120 mm噴管和80 mm噴管，在兩種實驗狀態下，分別對碳/碳和碳/碳化鋯材料燒蝕后下游流場中的電子數密度和駐點熱流進行測量，實驗空氣來流狀態如表1所示。通過測量來流狀態1和狀態2下的結果，可以獲得來流能量增大或減小時燒蝕流場特性的變化規律。

表1 實驗空氣來流狀態Tab.1 Flow states of test air

2 結果分析

實驗過程中，通過高頻感應加熱方式將石英管中的空氣加熱至上萬開爾文，空氣被充分電離形成等離子體，經混合室后，下游流場的溫度為4 000～6 000 K，仍處于熱電離狀態。

典型實驗狀態下(碳/碳化鋯材料- 來流狀態1)，流場中測得的伏安特性曲線如圖6所示。由圖6可知：隨著流場上游燒蝕材料的增多，離子飽和區中(曲線左側平直段)，離子飽和電流逐漸增大；過渡區中(曲線中部線性上升段)，伏安特性曲線斜率逐漸降低，流場電子溫度逐漸降低；電子飽和區中(曲線右側緩慢上升段)，電子飽和電流逐漸增大。伏安特性總體變化規律表明此時流場中的電子數密度有明顯降低。

圖6 典型實驗狀態下伏安特性Fig.6 I-V characteristics in typical experimental condition

不同數量的碳/碳和碳/碳化鋯材料在兩種來流狀態下燒蝕，對下游流場特性的影響結果如表2所示。由表2中的數據可知：材料的燒蝕量越大，下游流場中的電子數密度和駐點熱流越小，表明實驗所用兩種材料燒蝕后均能顯著降低下游來流的能量，在實際飛行器的應用中有利于減輕下游壁面材料的熱負荷，提升下游通信窗口的透波性能。

以純空氣流場電子數密度結果為基準，兩種材料在不同燒蝕率下的流場相對電子數密度如圖7所示。

對于碳/碳材料，隨著燒蝕率由0 g/s上升至0.08～0.09 g/s，狀態1和狀態2的流場中電子數密度分別降低至無燒蝕狀態下的36.7%和16.7%.

對于碳/碳化鋯材料，隨著燒蝕率由0 g/s上升至0.07～0.09 g/s，狀態1和狀態2的流場中電子數密度分別降低至無燒蝕狀態下的18.3%和10.0%.

表2 實驗測量結果Tab.2 Measured results

圖7 不同燒蝕率下流場相對電子數密度Fig.7 Normalized number densities of electrons in flow field at different ablation rates

總體看來，碳/碳化鋯較碳/碳材料更能降低來流的電子數密度，但當來流由狀態1變為焓值更高的狀態2時，兩種材料結果的差距有所縮小。

以純空氣流場中的駐點熱流結果為基準，兩種材料在不同燒蝕率下的流場相對駐點熱流如圖8所示。由于兩種材料的質量燒蝕量相對于空氣質量流量很小，材料燃燒狀態下流場中的壓力變化可忽略，從而駐點熱流的改變主要來自于材料的燒蝕。

圖8 不同燒蝕率下流場相對駐點熱流Fig.8 Normalized stagnation point heat fluxes in flow field at different ablation rates

對于碳/碳材料，隨著燒蝕率由0 g/s上升至0.08～0.09 g/s，狀態1和狀態2的流場中駐點熱流分別降低至無燒蝕狀態下的68.3%和52.1%.

對于碳/碳化鋯材料，隨著燒蝕率由0 g/s上升至0.07～0.09 g/s，狀態1和狀態2的流場中駐點熱流分別降低至無燒蝕狀態下的48.2%和49.8%.

總體看來，碳/碳化鋯較碳/碳材料更能降低來流的焓值，但當來流由狀態1變為焓值更高的狀態2時，碳/碳化鋯材料對來流焓值降低的能力會有所減弱，而碳/碳材料對來流焓值降低的能力則基本不變(燒蝕率<0.04 g/s時)或有所增強(燒蝕率>0.04 g/s時)。

3 結論

本文采用高頻等離子體風洞研究了碳/碳和碳/碳化鋯兩種材料在不同燒蝕率下，對下游等離子體射流的電子數密度和駐點熱流的影響，并與不含燒蝕產物的純空氣流場進行了對比。得出主要結論如下：

1)隨著碳/碳和碳/碳化鋯兩種材料燒蝕率的增加，流場中電子數密度和駐點熱流逐漸降低，材料緩解“黑障”與降低氣動熱的功能愈加顯著。

2)碳/碳化鋯較碳/碳材料更能降低來流的電子數密度，但當來流焓值增大后，兩種材料結果的差距有所縮小。

3)碳/碳化鋯較碳/碳材料更能降低來流的焓值，但其在高焓條件下對來流焓值的降低能力會有所減弱，而后者對來流焓值的降低能力則基本不變或略有增強。