純碳/碳材料燒蝕對(duì)飛行器等離子體流場(chǎng)的影響

聶春生， 袁野， 周禹， 黃建棟， 陳軒， 張青青

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100076； 2.中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院， 北京 100074)

0 引言

高速飛行器在大氣層飛行過程中，與空氣發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，在其頭部形成強(qiáng)激波，波后空氣溫度增大，發(fā)生離解和電離等各種化學(xué)反應(yīng)，在其周圍形成高溫流場(chǎng)等離子體，同時(shí)在其表面形成粘性邊界層，對(duì)飛行器表面產(chǎn)生很強(qiáng)的氣動(dòng)加熱，導(dǎo)致飛行器表面溫度急劇升高，燒蝕防熱型表面材料發(fā)生燒蝕。燒蝕產(chǎn)物進(jìn)入空氣邊界層流場(chǎng)，又與流場(chǎng)中的高溫空氣進(jìn)行復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，對(duì)飛行器周圍空氣流場(chǎng)中組分濃度和等離子體分布產(chǎn)生影響，從而影響飛行器通信[1]。研究飛行器表面防熱材料燒蝕產(chǎn)物對(duì)其周圍流場(chǎng)等離子體分布的影響，對(duì)于飛行器的突防和反突防系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著非常重要的意義。

在等離子體形成機(jī)理及分布特性研究方面，國內(nèi)外以戰(zhàn)宙飛船、航天飛機(jī)、星球探測(cè)飛行器等目標(biāo)與通信特性影響的預(yù)測(cè)評(píng)估為應(yīng)用背景，開展了大量的物理建模研究。國內(nèi)邵純等[2]、張威等[3]學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法研究了碳基和碳/酚醛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(duì)流場(chǎng)熱化學(xué)參數(shù)、電子數(shù)密度等特性的影響規(guī)律；高鐵鎖等[4-5]針對(duì)高速再入體開展了燒蝕流場(chǎng)計(jì)算分析，分析了包含和不包含碳/酚醛燒蝕產(chǎn)物再入小鈍錐的繞流和尾流流場(chǎng)，分析了燒蝕產(chǎn)物對(duì)流場(chǎng)電子數(shù)密度、溫度等流動(dòng)參數(shù)的影響，結(jié)果表明燒蝕產(chǎn)物對(duì)流場(chǎng)紅外輻射特性具有重要影響；魏叔如等[6]開展了碳/碳材料燒蝕對(duì)層流和湍流電離邊界層影響的計(jì)算方法研究，計(jì)算結(jié)果表明燒蝕對(duì)邊界層電離特性有很大影響，有燒蝕工況的邊界層中電子數(shù)密度數(shù)值比相同條件下的純空氣邊界層中電子數(shù)密度數(shù)值高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，但上述規(guī)律沒有進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。國外Keenan等[7-8]采用比較精確的耦合方法，在燒蝕壁面邊界，通過質(zhì)量及能量守衡方程把燒蝕體和氣體流場(chǎng)耦合起來求解，研究了不同飛行速度下碳基材料燒蝕對(duì)流場(chǎng)溫度、組分等參數(shù)的影響。

總的來看，通過數(shù)值模擬的方法評(píng)估防熱材料燒蝕產(chǎn)物對(duì)流場(chǎng)等離子體分布的影響存在兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：1)微量燒蝕材料體系熱化學(xué)燒蝕模型的建立。不同表面材料的表面燒蝕反應(yīng)過程不同，對(duì)等離子體流場(chǎng)的影響也有較大差別，因此需要針對(duì)不同的表面材料建立相應(yīng)的燒蝕反應(yīng)模型。2)化學(xué)非平衡氣體動(dòng)力學(xué)方程與燒蝕壁面邊界條件的耦合計(jì)算。在此方面存在兩個(gè)主要問題：一是由于往往存在著包括表面催化、氧化、燒蝕與熱解等復(fù)雜的氣體表面相互作用，氣體表面邊界條件會(huì)非常復(fù)雜，出現(xiàn)了涉及到材料特性、輸運(yùn)特性的表面質(zhì)量和能量平衡方程，表面邊界方程在流場(chǎng)中的求解算法十分復(fù)雜，難以建立燒蝕壁面邊界條件及其與氣體動(dòng)力學(xué)方程的耦合計(jì)算方法；二是空氣流場(chǎng)中燒蝕組分增加帶來的數(shù)值計(jì)算量大的問題。因此難以構(gòu)建準(zhǔn)確的計(jì)算模型以開展數(shù)值模擬研究，必須通過開展試驗(yàn)對(duì)不同防熱材料燒蝕產(chǎn)物對(duì)高溫流場(chǎng)等離子體的影響規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)數(shù)值方法的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為修正和完善計(jì)算模型提供數(shù)據(jù)支撐。

近年來，隨著風(fēng)洞技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量手段的進(jìn)步，相關(guān)試驗(yàn)研究在各類風(fēng)洞設(shè)施上廣泛開展，例如袁野等[9]在高頻等離子體風(fēng)洞上研究了碳/碳和碳/碳化鋯兩種復(fù)合防熱材料燒蝕情況下對(duì)下游流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明在石英管中如果材料發(fā)生燒蝕，那么試驗(yàn)段下游流場(chǎng)中的電子數(shù)密度會(huì)降低，碳/碳化鋯材料在降低下游流場(chǎng)的電離度和焓值方面優(yōu)于碳/碳材料；上述工作加深了對(duì)碳基材料的燒蝕特性及對(duì)下游流場(chǎng)的影響規(guī)律，但無法直接對(duì)飛行器表面材料發(fā)生燒蝕并與高溫邊界層流動(dòng)相互耦合影響下空間流場(chǎng)的電子數(shù)密度變化規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證。

碳/碳復(fù)合材料，即以碳纖維增強(qiáng)碳基體所組成的復(fù)合材料，因其卓越的高溫性能而在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如導(dǎo)彈頭部鼻錐、飛行器機(jī)翼等。為深入研究采用碳纖維增強(qiáng)類復(fù)合材料的高速飛行器發(fā)生燒蝕后對(duì)空間等離子體流場(chǎng)特性的影響規(guī)律，本文在高頻等離子體風(fēng)洞中采用朗繆爾探針和柱塞量熱計(jì)等測(cè)量手段，研究了球錐外形飛行器采用純碳/碳材料在不同燒蝕條件下對(duì)周圍繞流流場(chǎng)中電子數(shù)密度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

高頻等離子體風(fēng)洞采用高頻感應(yīng)加熱方式對(duì)氣體進(jìn)行加熱，可以產(chǎn)生純凈的感應(yīng)耦合等離子體(ICP)高焓氣流，有效消除氣流污染對(duì)流場(chǎng)中電子數(shù)密度分布的影響，是開展防熱材料燒蝕產(chǎn)物試驗(yàn)研究的理想設(shè)備[10]。本研究在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的高頻等離子體風(fēng)洞上開展，風(fēng)洞布局示意圖如圖1所示，其主要性能指標(biāo)為：

1) 電源功率1 000 kW；

2) 振蕩頻率440 kHz；

3) 氣流焓值為5～50 MJ/kg；

4) 駐點(diǎn)壓力為3～30 kPa；

5) 最大運(yùn)行時(shí)間50 min.

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

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎们蝈F外體，錐身的半錐角為10°，頭部半徑為15 mm，如圖2所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀袃深?，分別為銅制的水冷金屬模型和純碳/碳材料的復(fù)合材料模型。

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Wind tunnel test model

1.2 測(cè)量方法

1.2.1 電子數(shù)密度

試驗(yàn)中采用朗繆爾探針法測(cè)量流場(chǎng)的電子數(shù)密度。朗繆爾探針法是一種方法成熟、應(yīng)用廣泛的接觸式診斷方法[11]，采用一個(gè)或幾個(gè)插入等離子體中的“面積小得可以忽略”的導(dǎo)電電極，通過測(cè)量等離子體流場(chǎng)中探針的伏安特性曲線，從而得到等離子體參數(shù)[12]，其具體原理如下。

如果探針是孤立絕緣的，則由于電子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于離子的熱運(yùn)動(dòng)速度，開始時(shí)單位時(shí)間內(nèi)打在探針表面上的電子數(shù)遠(yuǎn)大于離子數(shù)，探針表面逐漸積累起負(fù)電荷，從而使探針相對(duì)于其附近未被擾動(dòng)的等離子體電位(即空間電位)的差值為負(fù)值。這個(gè)負(fù)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(gè)正的空間電荷層(亦稱離子鞘層)。這個(gè)空間電荷層逐漸增厚，直到最后在單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)探針表面的電子和離子數(shù)目達(dá)到平衡為止。這時(shí)探針表面的總電流為0 A，其表面的負(fù)電位將不再改變，此時(shí)的負(fù)電位稱為懸浮電位Vs. 當(dāng)外加偏置電源使探針相對(duì)于空間電位的電位差不等于懸浮電位Vs時(shí)，就會(huì)有電流通過探針。試驗(yàn)測(cè)量探針電流隨偏置電壓Ub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(chǔ)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(shù)密度與鞘層邊界電子數(shù)密度的關(guān)系[13-15]，則最終探針附近流場(chǎng)的電子數(shù)密度Ne可由(1)式計(jì)算：

(1)

式中：I為測(cè)量結(jié)果中的離子飽和電流(A)；A為柱狀探針側(cè)面積(m2)；k為玻爾茲曼常數(shù)；Te為電子溫度(eV)；m為離子質(zhì)量，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)可近似取NO+質(zhì)量4.98×10-26kg；e為元電荷電荷量，e≈1.6×10-19C.

試驗(yàn)所用鉬絲朗繆爾探針如圖3所示，其中探針有效部分的直徑為1 mm、長(zhǎng)度為15 mm.

圖3 朗繆爾探針照片F(xiàn)ig.3 Langmuir probe

試驗(yàn)前，將模型通過高硅氧轉(zhuǎn)接在特制的水冷支架上，水冷支架固定在支座上，保證試樣中心在風(fēng)洞氣流軸線上，模型前端距離噴管出口50 mm，將朗繆爾探針傾斜布置在送進(jìn)支架上，送進(jìn)系統(tǒng)的送進(jìn)距離保證探針可以送到距離模型表面一定位置，模型固定支架及探針?biāo)瓦M(jìn)支架如圖4所示。圖4中，d為朗繆爾探針與模型表面的距離。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b及朗繆爾探針測(cè)試方案Fig.4 Test model installation and Langmuir probe test plan

試驗(yàn)中，通過調(diào)整送進(jìn)系統(tǒng)送進(jìn)距離，保證朗繆爾探針與模型表面的距離d為3 mm、6 mm、9 mm、12 mm、15 mm等5個(gè)值。朗繆爾探針前端距離試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓蝾^駐點(diǎn)60 mm(沿母線方向)。

風(fēng)洞開啟時(shí)，等離子體發(fā)生器首先通入氬氣起弧，之后過渡為空氣，調(diào)整空氣的進(jìn)氣流量和風(fēng)洞電源系統(tǒng)的電壓，保證試驗(yàn)狀態(tài)達(dá)到設(shè)置的參數(shù)。待流場(chǎng)狀態(tài)穩(wěn)定后，啟動(dòng)送進(jìn)系統(tǒng)，將朗繆爾探針?biāo)腿刖嚯x試樣表面特定位置并停留0.5 s，測(cè)量流場(chǎng)的電子數(shù)密度。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔g過程中，可反復(fù)啟動(dòng)送進(jìn)系統(tǒng)，送到同一位置，多次測(cè)量不同時(shí)刻的燒蝕流場(chǎng)電子數(shù)密度。

1.2.2 模型表面熱流

試驗(yàn)前采用和試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庑我恢碌臒崃餍y(cè)模型，在其表面布置了柱塞式熱流傳感器，獲得其表面的熱流分布，其熱流[16]可表示為

qc=ρcpl(ΔT/Δτ)，

(2)

式中：qc為計(jì)算獲得的熱流(W/m2)；ρ為柱塞材料密度，取8.93×103kg/m3；cp為柱塞溫升期間的平均比熱，取3.86×102J/(kg·K)；l為柱塞長(zhǎng)度，取8×10-3m；ΔT為測(cè)得的柱塞溫升(K)；Δτ為溫升所用時(shí)間(s)。

1.2.3 射流駐點(diǎn)壓力

試驗(yàn)前采用直徑20 mm的水冷平頭皮托壓力探頭[17]測(cè)量駐點(diǎn)壓力，測(cè)壓探頭的照片如圖5所示。為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)之前對(duì)壓力傳感器的靜態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，獲得傳感器在一定壓力范圍內(nèi)的標(biāo)定系數(shù)。在試驗(yàn)中，利用送進(jìn)系統(tǒng)使壓力探頭以一定的速度經(jīng)過整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域，獲得射流中心的駐點(diǎn)壓力。

圖5 水冷平頭皮托壓力探頭Fig.5 Water cooled flat head pitot pressure probe

1.2.4 表面溫度測(cè)量

圖6 模型表面測(cè)溫位置Fig.6 Temperature measurement position on model surface

試驗(yàn)中，采用雙色高溫計(jì)[18]測(cè)試了模型的球頭駐點(diǎn)和錐身前端的表面溫度，雙色高溫計(jì)具體參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)中，高溫計(jì)自身的瞄準(zhǔn)激光可方便地確定高溫計(jì)測(cè)點(diǎn)的位置，兩支高溫計(jì)的測(cè)試位置如圖6所示。

表1 LumaSense IGAR 12-LO型比色高溫計(jì)參數(shù)

1.3 流場(chǎng)條件

試驗(yàn)研究采用出口直徑為60 mm的噴管，該試驗(yàn)的狀態(tài)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)狀態(tài)參數(shù)

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

在超音速狀態(tài)下對(duì)銅質(zhì)水冷模型、純碳/碳材料模型的高溫流場(chǎng)電子數(shù)密度進(jìn)行了測(cè)量，其中：銅制水冷模型，研究純空氣流場(chǎng)中的電子數(shù)密度分布；純碳/碳材料模型，研究相同來流條件下材料發(fā)生燒蝕后，燒蝕產(chǎn)物對(duì)流場(chǎng)電子數(shù)密度的影響。

2 結(jié)果分析

試驗(yàn)過程中，銅制水冷模型開展了5次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，純碳/碳材料模型采用了5個(gè)試樣進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，減小由于試樣發(fā)生燒蝕后外形變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。試驗(yàn)過程中，朗繆爾探針測(cè)試的部分照片分別見圖7和圖8所示。

圖7 銅質(zhì)水冷模型及其與朗繆爾探針的相對(duì)位置Fig.7 Water cooling copper model and its position relative to Langmuir probe

圖8 純碳/碳材料模型及其與朗繆爾探針的相對(duì)位置Fig.8 Pure carbon/carbon material model and its position relative to Langmuir probe

為了獲取試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮跓g條件下流場(chǎng)的電子數(shù)密度，實(shí)驗(yàn)過程中首先對(duì)模型表面溫度進(jìn)行了測(cè)試，如圖9所示。由圖9可見：模型進(jìn)入流場(chǎng)后其頭部溫度就達(dá)到了1 000 ℃，身部約在25 s超過了1 000 ℃；對(duì)于純碳/碳材料一般當(dāng)溫度大于700 ℃時(shí)發(fā)生燒蝕[19]，因此純碳/碳材料模型進(jìn)入風(fēng)洞流場(chǎng)后，模型的頭部就開始發(fā)生燒蝕，模型的錐身部分在試驗(yàn)過程中隨著溫度升高也逐漸發(fā)生燒蝕。

圖9 純碳/碳材料模型表面溫度Fig.9 Surface temperature of pure carbon/carbon material model

試驗(yàn)前后對(duì)5個(gè)純碳/碳材料模型試樣的質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試，從而獲得純碳/碳材料模型在試驗(yàn)過程中的平均質(zhì)量燒蝕速率，試驗(yàn)中其平均質(zhì)量燒蝕速率為0.03 g/s左右，如表3所示。

表3 純碳/碳材料模型的試驗(yàn)結(jié)果

由于試驗(yàn)中純碳/碳材料處于嚴(yán)重的燒蝕過程中，且頭部外形發(fā)生顯著變化(見圖10)，因此為了盡可能地減小模型的氣動(dòng)外形變化對(duì)繞流流場(chǎng)中電子數(shù)密度的影響，考慮到純碳/碳材料的燒蝕時(shí)間較短，因此朗繆爾探針測(cè)試結(jié)果只取前120 s中多次測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值；由于試樣不斷發(fā)生燒蝕和外形的變化，整個(gè)燒蝕過程中其表面溫度均未達(dá)到平衡，表3中各個(gè)試樣的溫度取停車前20 s的平均值。

圖10 純碳/碳材料模型燒蝕前后的表面狀態(tài)Fig.10 Surface states of pure carbon/carbon material model before and after ablation

試驗(yàn)?zāi)Ｐ土鲌?chǎng)的電子數(shù)密度測(cè)試結(jié)果如表4所示，對(duì)于純碳/碳材料模型，試驗(yàn)中測(cè)試了1號(hào)試樣和2號(hào)試樣距離表面3 mm位置的電子數(shù)密度，測(cè)試了3號(hào)試樣和4號(hào)試樣距離表面6 mm位置的電子數(shù)密度，測(cè)試了5號(hào)試樣距離表面9 mm位置的電子數(shù)密度。試驗(yàn)結(jié)果分析可見：1)在距離模型表面3 mm和6 mm位置，純碳/碳模型試樣的燒蝕繞流流場(chǎng)的電子數(shù)密度均低于銅質(zhì)水冷模型相同位置的電子數(shù)密度；在距離表面9 mm的位置純碳/碳模型試樣與銅質(zhì)水冷模型的電子數(shù)密度相當(dāng)。2)對(duì)于純碳/碳材料模型的燒蝕繞流流場(chǎng)，電子數(shù)密度隨著距離表面位置的增大而增大。3)對(duì)比純碳/碳模型的5個(gè)試樣結(jié)果，結(jié)合表3各試樣的燒蝕速率，可以發(fā)現(xiàn)純碳/碳材料模型發(fā)生燒蝕后的流場(chǎng)電子數(shù)密度均隨著質(zhì)量燒蝕速率的增加而減小，如圖11所示。

圖11 燒蝕情況對(duì)不同位置流場(chǎng)電子數(shù)密度的影響Fig.11 Influence of ablation on electron number density in different positions of flow field

同時(shí)，試驗(yàn)中測(cè)試了距離銅質(zhì)水冷模型表面12 mm、15 mm的電子數(shù)密度，如表4所示。由表4可以看出，距離銅質(zhì)水冷模型表面12 mm和15 mm的電子數(shù)密度與距離其表面9 mm位置的電子數(shù)密度相當(dāng)，且純碳/碳材料模型試樣燒蝕繞流流場(chǎng)距離試樣表面9 mm位置的電子數(shù)密度與銅質(zhì)水冷模型繞流流場(chǎng)距離表面9 mm位置的電子數(shù)密度相當(dāng)。結(jié)合圖8中純碳/碳材料模型發(fā)生明顯燒蝕時(shí)繞流流場(chǎng)與探針相對(duì)位置的照片，以及圖11不同位置和燒蝕狀態(tài)下的流場(chǎng)電子數(shù)密度，可以認(rèn)為：在距離試樣前端60 mm的位置，含燒蝕產(chǎn)物的繞流流場(chǎng)厚度在6～9 mm之間。

表4 流場(chǎng)電子數(shù)密度試驗(yàn)結(jié)果

從高溫流場(chǎng)電子密度產(chǎn)生的物理本質(zhì)分析，流場(chǎng)中的電子密度主要由NO發(fā)生電離反應(yīng)產(chǎn)生，但是由于碳/碳燒蝕壁面的氧化反應(yīng)，消耗部分O原子生成CO，使得近壁面附近的NO濃度降低，因此使壁面附近的電子密度降低，并且由于燒蝕量增大，消耗的O原子更多，電子密度下降程度更大；而遠(yuǎn)離壁面的流場(chǎng)受燒蝕影響較小，因此電子密度幾乎不受影響；并且燒蝕量越大，壁面附近燒蝕流場(chǎng)中的電子密度降低越多。

3 結(jié)論

本文采用高頻等離子體風(fēng)洞研究了純碳/碳材料燒蝕對(duì)高溫流場(chǎng)的電子數(shù)密度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1) 當(dāng)純碳/碳材料模型處于明顯的燒蝕狀態(tài)時(shí)，含有燒蝕產(chǎn)物的繞流流場(chǎng)的電子數(shù)密度低于銅質(zhì)水冷模型純空氣繞流流場(chǎng)的電子數(shù)密度。

2) 純碳/碳材料燒蝕后的流場(chǎng)電子數(shù)密度均隨著質(zhì)量燒蝕速率的增加而減小。

3) 純碳/碳材料燒蝕產(chǎn)物僅影響距離壁面一定距離流場(chǎng)的電子數(shù)密度，遠(yuǎn)離壁面的流場(chǎng)中電子數(shù)密度與純空氣流場(chǎng)接近。

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