模擬Chelyabinsk 小行星進入的燒蝕實驗1)

羅 躍 王 磊 黨雷寧 劉進博 張 軍 柳 森

(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)

引言

燒蝕是小行星極高速進入地球大氣層后最重要的現象之一，在很大程度上決定了小行星的質量/尺寸變化、飛行軌跡、甚至光輻射特性[1-2].開展小行星進入地球大氣燒蝕機理研究，有助于更好地理解小行星進入地球大氣的燒蝕現象，可為解體爆炸、進入軌跡和光輻射研究奠定基礎，支撐建立小行星防御地面風險評估系統[3].

近十年來，隨著行星防御研究的開展以及人類空間探測活動的深入，空氣動力學方面的研究者們開始注重小行星材料燒蝕問題的研究，這些工作都是基于半個多世紀以來在航天飛行器熱防護材料燒蝕研究中建立的理論和設備而開展[4-11]，存在極高速進入熱環境、天然材質燒蝕機理、不穩定熱結構等諸多問題亟待探索.目前，國外機構主要依靠激光加熱、電弧(高焓等離子體)風洞兩類設備在這方面開展初步實驗研究[12-19](圖1).以NASA 的Ames 研究中心為代表，基于小行星威脅評估計劃項目(ATAP)，從2014 年開始在LHMEL設備上開展隕石激光燒蝕實驗研究[13]，相比于Milley[12]，其設備能量和測試儀器都有較大提升，表面熱流達到150 MW/m2.分析結果顯示，激光燒蝕實驗中石隕石材料損失以汽化蒸發為主，而玄武巖材料以熔融物濺射為主.隨后的激光燒蝕/低速剪切聯合實驗得到了不同輻射熱流、不同剪切力對燒蝕光譜信號影響的定性結論，其實驗數據提供給ATAP 以研究數值計算方法.2016 年及2017 年，燒蝕實驗在60 MW 電弧風洞上開展，試件材料包括石隕石(Tamdakht)、鐵隕石(Campo Del Ceilo)、玄武巖及石英，調試了駐點熱流40 MW/m2、駐點壓力140 kPa，總焓20 MJ/kg 的來流條件，模擬直徑30 m 的隕石在65 km 高空以20 km/s 速度飛行時的熱環境.隕石材料均在5 s 時間內完全燒盡，沒有殘留實驗后的模型，但記錄了重要的動態過程影像.基于實驗結果分析，Ames 認為小行星材料的燒蝕主要包含蒸發、熔融和機械剝蝕等機理，估算有效燒蝕焓為2 MJ/kg，初步數值計算與測量的發射譜線有明顯偏差，部分原因可能是缺少熔化模型[14].

圖1 國外開展的隕石材料燒蝕實驗研究[18]Fig.1 Ablation Experiments of meteorite abroad[18]

國內之前尚未開展小行星材料燒蝕機理研究.為觀測小行星材料在超高速高溫流場中的燒蝕現象，中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所首次開展了模擬小行星進入的燒蝕實驗研究，在電弧加熱設備平臺上構建Chelyabinsk 小行星極高速進入地球大氣層的典型氣動加熱環境，針對玄武巖和碳鋼實驗件進行燒蝕測試，測量了燒蝕動態過程、氣體發射光譜、實時外形變化、表面溫度變化等數據.

1 實驗方法

1.1 實驗方案和測量設備

該項實驗在中國空氣動力研究與發展中心的20 MW 片式電弧加熱器上采用自由射流駐點燒蝕的方法[20-21]進行，電弧加熱器產生的高溫氣體經噴管加速形成高焓高速氣流，對實驗模型前端面沖擊加熱，通過調整加熱器狀態參數模擬小行星極高速進入大氣層時的駐點熱流、壓力、焓值，研究材料的燒蝕特性，實驗和測試方法示意見圖2.

高清攝像機用于記錄流場結構和局部材料瞬時變化過程，比色高溫計通過獲取材料雙波段輻射信號測量模型前端溫度，紅外攝像儀用于獲取模型表面溫度分布，光柵光譜儀通過聚焦透鏡和光纖探頭測量流場中的發射光譜，基于結構光的視覺系統在線實時測量模型縱截面輪廓變化.

圖2 實驗和測試方法示意圖Fig.2 Diagram of experimental set-up

實驗后的參數測量主要包括燒蝕外形、表面形態、燒蝕產物成分：利用三維激光掃描儀測量燒后模型三維外形及尺寸，通過對比原始外形獲取總的質量損失；掃描電鏡能譜儀(SEM/EDS)通過捕捉材料的二次電子和X 射線連續譜，獲得燒蝕模型表面材料化學成分，測試儀器配置見表1 所示.

表1 測試儀器配置_______Table 1 Measurement instrument

1.2 實驗狀態和模型

材料駐點燒蝕特性地面考核實驗通常模擬試件的駐點熱流、焓值以復現燒蝕過程[22]，根據公開發表已觀測到的Chelyabinsk 小行星進入大氣層軌跡[23](圖3)，結合現有電弧風洞能力(焓值小于30 MJ/kg，功率小于50 MW)，此次實驗模擬Chelyabinsk 小行星在5.6 km/s 的速度下，在17 km 高度解體為1 m 直徑后的駐點熱流和焓值分別為25 MW/m2和16 MJ/kg.

圖3 Chelyabinsk 小行星進入軌跡[23]Fig.3 Entry trajectory of Chelyabinsk asteroid[23]

實驗模型材質為玄武巖和碳鋼，分別模擬石質隕石和鐵隕石，外形尺寸根據來流條件和需模擬的參數而設計(圖4)，頭部半徑為20 mm，半錐角9°.模型底部加工內螺紋孔，與支座連接，由快速送進系統控制試件進、出高溫射流區，以確保在穩定的流場中燒蝕4 s 時間，圖4 中黑色圓圈為比色高溫計和光譜儀聚焦測量點.

噴管出口尺寸為φ42 mm，出口名義馬赫數1.8，前段弧室總壓0.56 MPa，氣流總焓16 MJ/kg.焓值由總壓流量法計算[20]，波后駐點壓力和熱流分別采用總壓探針和零點量熱計測量，流場結構如圖5 所示.

圖4 實驗模型尺寸及照片Fig.4 Model dimentions and image

圖5 流場結構示意Fig.5 Flow field structure diagram

2 驗結果及分析

2.1 燒蝕過程及形貌

碳鋼模型燒蝕時自發光過于飽和，攝像機沒有記錄到較為清晰的燒蝕過程.但通過模型剛退出流場一半時刻的視頻截圖(圖6)，能夠觀察到模型燒蝕的兩個明顯特征：整個視場大量火花飛濺、熔液在球、錐相切線堆積.模型燒蝕后(圖7)錐體氧化為褐黑色，表面無明顯燒蝕痕跡和產物堆積；頭部端面光亮平滑，熔融物凝固堆積在球、錐相切線位置，與圖6 特征對應，頭部熔化的鋼水在高壓氣流作用下被不斷剝離，表層來不及氧化，因而呈光亮銀白色，與錐面形成鮮明對比.碳鋼頭部熔化為鋼水后，一部分向后流動并駐留在球、錐相切線位置，一部分在氣流沖擊和剪切作用下濺射成微小液滴并被氣流帶走，從而表現為圖6 中的大量火花，后者也是碳鋼燒蝕質量損失的主要機制.利用激光三維掃描儀對燒蝕后的模型外形進行了測量，如圖8 所示，頭部曲率半徑為45 mm，遠大于初始的20 mm，頂點后退13.1 mm，燒蝕質量為72.7 g.

圖6 碳鋼燒蝕結束時刻視頻截圖Fig.6 Image of carbon steel at the end of ablation

圖7 碳鋼燒蝕前后外貌Fig.7 Pre-and post-test image of carbon steel

圖8 碳鋼燒蝕后三維輪廓Fig.8 Recession profile for carbon steel

圖9 為玄武巖燒蝕過程視頻截圖.可以看出，玄武巖試件剛進入流場時(0 s)前端就被融化，相對于鋼水來說，玄武巖熔融物黏性較大，并沒有形成大量細小液珠濺射，而是受剪切向后流動.隨著燒蝕進行，熔融層逐漸覆蓋整個球頭并向錐身流動.球頭駐點持續后退，外形不斷變化，在1.5 s 及3 s 時刻均有明顯片狀物剝落現象，在燒蝕結束時刻(4 s)熔融層已覆蓋整個錐身，且表面明顯可見由于不均勻剝落造成的凹坑.燒蝕后的玄武巖(圖10)近似雙錐外形，越靠近底部熔融層凝固覆蓋現象越明顯，表面多處大小不一的塊狀崩裂痕跡，且在底部已有較深的貫穿性裂紋.局部照片(圖11)可見部分熔融液滴被蒸發噴射氣體沖破，較厚的熔融層表面形成密集氣孔.由此可見，在實驗條件下，玄武巖燒蝕質量損失以熔融物剪切流失為主，并伴隨少量塊狀剝落及蒸發噴射.通過測量，玄武巖試件頂點后退7.3 mm，燒蝕質量為37.9 g.

圖9 玄武巖燒蝕過程視頻截圖Fig.9 Image of ablated basalt at different time

圖10 玄武巖燒蝕前后外貌Fig.10 Pre-and post-test image of basalt

圖11 玄武巖燒蝕后局部外貌Fig.11 Local detals of basalt after ablation

2.2 表面溫度

高溫計采用德國IMPAC 公司的ISR12-LO M33 比色高溫計，測試波段分別為0.8 μm 和1.05 μm，量程為1000°C～3300°C，通過獲取雙波段輻射信號計算圖4 中球、錐相切線聚焦點(約φ8 mm)的溫度，因此不受測量窗口透射率的影響，在其測量波段受高溫空氣輻射影響也較小(高溫空氣在0.9～3.2 μm 范圍輻射能量僅占5.9%).熱像儀采用德國INFRA 公司的ImageIR 8300 hp，測試波段為2～5.7 μm，參考NASA 的試驗[14]設置碳鋼和玄武巖的發射率為0.4 和0.8，但其實際發射率受窗口衰減和溫度變化并不能確定.圖12 和圖13 顯示了碳鋼和玄武巖的比色高溫計所測聚焦點溫度、熱像儀所測試件駐點溫度以及從熱圖中提取的聚焦點平均溫度的歷程變化.碳鋼的駐點位置在開始0.5 s 內快速升溫，并基本穩定在約1500°C，熱像儀所測聚焦點溫度經歷約1.6 s 時間上升后基本穩定在約1600°C，并在結束前0.5 s 時刻快速下降，顯示了隨著材料焼蝕后退，φ8 mm 測溫點的移動過程：上升階段是從低溫區移向前端高溫區，穩定階段是在高溫區范圍內，下降階段是部分移出試件表面.比色高溫計和熱像儀所測聚焦點溫度均高于駐點溫度，與溫度分布熱圖相符，且遠高于熔點1300°C.玄武巖駐點溫升速度明顯大于碳鋼，由于焼蝕后退量較小，聚焦點溫度沒有出現類似碳鋼的后段快速下降現象，在穩定階段駐點溫度和聚焦點溫度相近，約為1900°C，同樣遠高于熔點980°C～1200°C[24].比色高溫計的測量數據均只有后半段的約2.5 s 歷程，即使測點溫度高于測量下限(1000°C)也沒有信號輸出，且在輸出信號開始時突然躍升，可能是由于前1.5 s 時間段高溫計所獲取能量沒有達到儀器所預設能量閾值，沒有及時輸出測算信號.

圖12 碳鋼燒蝕過程表面溫度歷程Fig.12 Temperature history of carbon steel from pyrometer

圖13 玄武巖燒蝕過程表面溫度歷程Fig.13 Temperature history of carbon steel from pyrometer

紅外熱像儀所測表面溫度分布變化歷程(圖14 和圖15)，印證了前文分析的模型燒蝕過程.碳鋼最高溫度始終位于球、錐相切線附近，由于駐點附近的半球面熔液被不斷快速剝離，半球面的溫度低于球、錐相切線位置，而錐身位置沒有被直接加熱，溫度遠低于前端.玄武巖的表面高溫區域由端頭局部逐漸向后擴展至整體，也是玄武巖熔融物不斷流動覆蓋錐面的過程.

圖14 碳鋼燒蝕表面溫度分布云圖Fig.14 Temperature field history of carbon steel from infrared imaging

圖15 玄武巖燒蝕表面溫度分布云圖Fig.15 Temperature field history of basalt from infrared imaging

2.3 外形變化及有效燒蝕焓

對光學視覺形貌測量系統所測玄武巖動態燒蝕過程進行圖像數字處理，提取了不同時刻模型外形輪廓，見圖16 所示.經過燒蝕后的玄武巖試件頭部外形有較大變化，駐點等效半徑增大，球面變為錐面，整個模型輪廓近似為雙錐形.通過前端點相對位置變化，獲取了駐點后退量的變化歷程，如圖17 所示，玄武巖試件后退量近似為線性增長，并沒有明顯的初始緩變過程，說明玄武巖在極短的時間內完成吸熱升溫(小于0.3 s)，并迅速熔化后退.

圖16 玄武巖燒蝕輪廓動態變化Fig.16 Time evolution of profile for basalt

圖17 玄武巖駐點后退歷程及線性擬合Fig.17 Recession history of Stagnation point on basalt

有效燒蝕焓是反映犧牲性防熱材料耐燒蝕性能的重要參數，其定義為[25]

其中，qhw為熱壁熱流，qcw為冷壁熱流，he為邊界層外緣焓值，hhw為熱壁焓，hcw為冷壁焓，m為單位面積質量損失率.在此次實驗條件下，hcw遠小于he，且駐點位置的he可近似為總焓，因此上式可簡化為

式中，h0為已知的實驗測量參數16 MJ/kg，hhw由所測駐點溫度確定為2.5 MJ/kg，根據前文得到的燒蝕外形變化數據，駐點呈線性后退，半徑由20 mm 變化至30 mm，由Fey-Riddle 公式計算得到時間平均駐點熱流為22.5 MW/m2.質量損失在半球面上并非均勻分布，而這種分布主要由熱流分布導致，因此可根據球頭層流無量綱熱流分布情況對時間平均駐點熱流作面積加權平均，得到等效冷壁熱流qsw為14 MW/m2.這樣，m則可直接利用質量燒蝕率;mt計算

根據上述方法估算的玄武巖材料有效燒蝕焓約為2.6 MJ/kg，與文獻[14]的2 MJ/kg 接近，且遠小于文獻[26]的蒸發燒蝕焓，可見地面模擬條件下玄武巖試件的質量損失是以熔融層剪切流失為主導.

2.4 燒蝕發射光譜

碳鋼和玄武巖試件燒蝕過程中的發射光譜測量結果如圖18 所示，(a)為碳鋼，(b)為玄武巖.從圖18 中可以看出碳鋼和玄武巖在燒蝕過程中的發射光譜包含了O，N，Cu，Fe，K，Na，Cr，Si，Ca 等元素的原子輻射譜線，這些元素大致可以分為3 類：N 和O 原子來自實驗氣體中氮氣和氧氣的解離；Cu 原子來自電弧加熱器電極的燒蝕；Fe，K，Na，Cr，Si，Ca 等為實驗件材料元素，其中碳鋼中的Fe，Cr 為主要材質元素和添加劑，Na，K 可能是煉制過程中爐渣帶入的少量硅酸鹽雜質，玄武巖中的Si，Ca 為主要材質元素(未測到Al)，Na，K 為堿金屬雜質，也是人工隕石的典型添加元素[13].

圖18 碳鋼及玄武巖發射光譜測量結果Fig.18 Emission spectrum of carbon steel and basalt

圖19 顯示了碳鋼和玄武巖試件燒蝕過程中各元素譜線的時間演化,從圖中看出在碳鋼和玄武巖的燒蝕中Na，K 的譜線都是最先出現并迅速升高，反映了堿金屬在高溫下易揮發不穩定性.燒蝕過程中模型端頭隨著燒蝕量的增加而后退，使得測量點更加接近駐點，因此各元素譜線強度隨著燒蝕的進行都有一定的上升趨勢.

圖19 碳鋼及玄武巖燒蝕過程光譜強度時間演化Fig.19 Evolution of spectral line intensity

利用碳鋼實驗中的多條譜線，通過多譜線相對強度法(玻爾茲曼分布法)獲取了實驗氣體的總溫.根據原子光譜理論，假設模型端頭為局部熱力學平衡態，各原子能級分布滿足玻爾茲曼分布，原子譜線強度和上能級能量滿足下式

式中，E,g,A,λ 和I分別為譜線的上能級能量、統計權重、躍遷幾率、波長和強度，k為玻爾茲曼常數，N為總態數，U為布居函數.對于選定原子的譜線，式中第3 項為常數，因此溫度可由斜率(-1/kT)得到，選擇多條譜線對In(Iλ/gA)和E進行直線擬合，得到斜率進而求出溫度，根據圖18，選定Fe 原子的4 條譜線和銅原子的3 條譜線進行作圖(圖20).根據斜率分別算出氣體總溫為6634.4 K(鐵)和6754.1 K(銅)，與氣流總焓對應的溫度相符.

圖20 鐵原子(×)和銅原子(□)玻爾茲曼圖Fig.20 Boltzmann plot of Fe(×)and Cu(□)lines

2.5 電鏡能譜測量

利用掃描電鏡能譜儀對燒蝕后玄武巖試件進行了表面材料成分定性測量.從測量結果(圖21)看，玄武巖主要含有C，Ca，O，Na，Mg，Al，Si 等元素成分.對比光譜測量數據，除紅外波段的C 原子譜線和紫外波段的Al 和Mg 原子譜線處于儀器測量范圍(450～1100 nm)邊緣，沒有有效捕捉，其余元素的兩種測量結果是對應一致的.

圖21 燒蝕后玄武巖電鏡能譜掃描Fig.21 Post-test SEM/EDS result of basalt

3 結語

(1)通過實驗記錄了玄武巖和碳鋼試件燒蝕動態過程，觀察到了清晰的燒蝕現象，分析揭示了兩者不同的質量損失機制：碳鋼端頭熔化為鋼水，在氣流沖擊作用下濺射成大量微小液滴，跟隨氣流高速流失；玄武巖端頭熔化為黏性較大的熔融層，在氣流剪切作用下以表面流動損失為主，伴隨少量塊狀剝落及蒸發噴射.

(2) 利用實驗獲取的玄武巖試件外形輪廓變化過程、冷壁熱流、表面溫度、氣流總焓、質量損失等數據，估算得到實驗條件下玄武巖有效燒蝕焓為2.6 MJ/kg，遠小于文獻[26]的蒸發燒蝕焓8 MJ/kg，揭示了類隕石材料在低空高壓與高空低壓環境下的燒蝕機理差異.玄武巖和碳鋼試件的質量損失及駐點后退量分別為37.9 g，72.7 g 以及7.3 mm，13.1 mm.

(3) 在線光譜測量獲得多種原子發射光譜，包括材料蒸發的Fe，K，Na，Cr，Si，Ca，空氣離解的N 和O，以及設備電極燒損的Cu，與電鏡能譜掃描結果比對一致.對測試數據采用多譜線相對強度法計算氣流總溫約為6700 K，與流場調試校測參數相符.

致謝本文在研究中得到中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所的石衛波、楊遠劍、陳衛等同志的幫助，周平、楊靖康等參與實施了實驗，在此向他們表示感謝.