高溫熱防護材料發(fā)射率測量技術研究.pdf

1、高速近空間飛行器是實現全球快速打擊武器系統(tǒng)的重要組成部分,可搭載核武器和常規(guī)武器,是繼洲際導彈、人造衛(wèi)星和航天飛機之后航天技術的重大飛躍。其中熱防護系統(tǒng)的散熱性能制約飛行器在氣動模式下的極限飛行速度與滯空時間。以熱輻射為主要散熱形式的熱防護材料具有不影響氣動模式和可重復使用的特點,該類熱防護材料以發(fā)射率為主要評定指標。課題的目的是研究測量該類熱防護材料發(fā)射率的方法、理論和關鍵技術。該類高溫熱防護材料輻射特性的評定是設計高速近空間飛行器熱

2、防護系統(tǒng)的重要依據,對我國未來的戰(zhàn)略安全體系具有重要的意義。
　　在高溫發(fā)射率測量問題中,在不允許增加輔助測溫裝置的條件下,完全實現在線高溫目標的發(fā)射率測量具有重要的現實意義,也是本文研究的難點問題之一。在研究隨機無規(guī)則粗糙表面發(fā)射率問題上，表面粗糙狀態(tài)的隨機性與無規(guī)則性對發(fā)射率的量值影響問題較難解決,是本文需研究的又一重要問題。模擬高溫環(huán)境的發(fā)射率測量問題上，在高真空環(huán)境下,克服超高溫熱平衡狀態(tài)下熱輻射的高次非線性耦合問題,實現

3、超寬溫區(qū)的非導電、非特制、小尺寸樣品的自由輻射狀態(tài)的加熱,克服高溫定標黑體軸向熱膨脹的熱應力問題,克服高溫背景輻射的影響及高溫自由熱輻射狀態(tài)樣品的測溫問題是函待解決的重要技術問題。
　　課題“高溫熱防護材料發(fā)射率測量技術研究”的研究目的是解決高溫熱防護材料在線發(fā)射率測量、隨機無規(guī)則粗糙材料表面的發(fā)射率計算及模擬高溫環(huán)境的發(fā)射率測量的關鍵技術等問題。本課題的主要研究內容如下:
　　首先,提出了基于洛倫茲復介電函數和粒子群算法的

4、新型寬光譜發(fā)射率在線測量方法。針對不允許增加輔助測量裝置的高溫在線發(fā)射率測量問題,構建基于洛倫茲復介電函數的光譜發(fā)射率模型,并建立以光譜亮溫方差最小化為計算目標的約束方程。采用基于傅里葉光譜儀的多溫度點多光譜黑體定標方法,克服光譜儀響應的非線性問題,并采用光譜儀測量未知溫度在線目標的光譜輻射亮度。采用粒子群算法計算約束方程中的多維參量,得到高溫目標的光譜發(fā)射率及真溫等參量。實驗表明,該方法計算的光譜發(fā)射率在2～20μm光譜范圍內,與理論

5、基準值的最大誤差小于4.6％,與光譜能量比較法的測量結果的最大誤差為3.5%,并隨著波長的增大,光譜發(fā)射率計算誤差逐漸減小。
　　其后,提出了隨機無規(guī)則粗糙表面光譜發(fā)射率計算方法。針對幾何光學粗糙量級的二維隨機無規(guī)則粗糙表面的發(fā)射率計算問題,建立基于多次反射理論的局部非規(guī)則形狀表面的表觀發(fā)射率自輻射模型,得出局部粗糙因子與表面積的函數關系。采用高斯功率譜密度的二維隨機粗糙表面的建立方法生成表達二維隨機粗糙表面的矩陣,并采用離散三角

6、形覆蓋法計算隨機粗糙表面的表面積,并建立整體粗糙表面的表觀發(fā)射率與粗糙參數的函數計算關系。實驗表明,采用該方法計算的光譜發(fā)射率與實驗測量結果的誤差的最大值為5.7%。提出的方法得到了二維隨機無規(guī)則粗糙表面的表觀發(fā)射率與粗糙參數的內在聯系,適用于任意隨機無規(guī)則粗糙表面的表觀發(fā)射率計算。
　　最后,模擬熱防護材料在實驗室環(huán)境的超高溫和高真空條件下的熱輻射狀態(tài),建立了基于傅里葉光譜儀的寬溫區(qū)、高真空、寬光譜發(fā)射率測量系統(tǒng)?；谔荻入娮杞Y