科技成果——高温环境下热防护材料可视化在线测试技术与装置

线测试技术与装置

技术开发单位 清华大学 适用范围

航天飞行器技术、光学、检测技术领域 成果简介

近空间高超声速飞行器在国防安全中占有举足轻重的战略地位，世界各国均把高超声速飞行器技术作为未来重点发展的研究方向。热防护材料及其关键部件是发展高超声速飞行器的核心问题之一，在高温复杂环境下对热防护材料的力学行为进行考核试验，是研究其可靠性最重要、最基本的技术手段。然而由于飞行器工作环境伴随着高温、氧化、烧蚀、冲刷以及化学反应等超常规的极端复杂条件，传统测试方法只能对比考核前后试件变化，无法在考核过程中确定试件失效机制，特别是缺少试验过程中对热防护材料表面图像信息的实时获取，国外发达国家更是对相关测试方法和基础测试装置长期封锁严格禁运，成为制约我国高超声速飞行器发展的重要技术瓶颈。

本项目在国家自然科学基金资助下，攻克了高温环境下热防护材料在线测试中的多项关键技术难点，创新发展了高温图像获取方法和图像处理技术，研制了大功率高温电弧风洞在线可视化测量装置，以及动、静态氧化烧蚀装置，实现了热防护材料的形貌、变形、烧蚀量和温度等关键信息的全场同步实时测量，相关技术与装置已在国内多

家重点国防单位推广应用。

效益分析

本项目解决了高温环境下热防护材料在线测试中的多项关键技术难题，获得了一系列自主知识产权，已在航天科工和航天科技集团等国内多家重点国防单位成功应用，获取了几类国防关键材料大型考核试验中的高品质在线信息，填补了国内多项空白。

应用情况

该项目成果已推广应用于国内多家重点国防单位，包括中国空气动力研究与发展中心（29基地）超高速空气动力研究所、中国航天空气动力技术研究院（航天十一院）、航天科工集团第三总体设计部、中国航天科工集团四院四部、西安航天复合材料研究所（43所）、北京动力机械研究所（31所）、航天特种材料及工艺技术研究所（306所）等。具体推广应用情况如下：

（1）中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所项目“高温复杂环境下在线可视化测量技术”，时间2013.0-至今，应用该技术开展高温风洞地面考核试验研究，获取了高温下考核件形貌、氧化烧蚀、变形场等参数，为结构设计及材料性能改进提供关键数据支撑。

（2）中国航天空气动力技术研究院项目“高温复杂环境下在线可视化测量技术”，时间：2013-至今，将该技术应用于高温风洞考核，动态获取高温风洞考核件的图形图像，计算高温下考核件形貌、氧化烧蚀、变形场等参数。

（3）中国航天科工集团第三总体设计部项目“基于图像识别技术的高温环境下结构缝隙测试技术”，时间：2011年9月-12月，应用于某热防护舱段静热试验，完成了石英灯辐射加热至900℃，进行了热防护面板的缝隙宽度的连续变化测量。

（4）中国航天科工集团四院四部项目“基于图像识别技术的高温环境下结构缝隙测试技术”，时间：2013.1-至今，将该技术应用于弹头烧蚀外形的高温地面考核，动态获取高温等离子电弧风洞下考核件的高质量图形图像，得到高温环境下考核件形貌、氧化烧蚀、温度场等数据。

（5）西安航天复合材料研究所项目“基于图像识别技术的高温环境下结构缝隙测试技术”，时间：2012.1-至今，将该技术应用于从C/C、C/SiC、超高温陶瓷等陶瓷基复合材料的高温性能考核，获取了氧化烧蚀形貌、变形场等数据。

（6）北京动力机械研究所项目“热冲击与氧化烧蚀测试技术及装置”，时间：2011年1月-2011年9月，将该技术和装置应用于超燃冲压发动机燃烧室用CC-SiC和C/SiC类材料体系氧化烧蚀，对材料氧化、烧蚀过程进行实时观测记录。

（7）航天特种材料及工艺技术研究所项目“热冲击与氧化烧蚀测试技术及装置”，时间：2011年1月-2011年9月，将该技术和装置应用在发动机燃烧室用C/SiC材料的氧化烧蚀试验研究，实时记录材料的氧化、烧蚀过程。