純碳/碳材料燒蝕對飛行器等離子體流場的影響

聶春生， 袁野， 周禹， 黃建棟， 陳軒， 張青青

(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.中國航天空氣動力技術研究院， 北京 100074)

0 引言

高速飛行器在大氣層飛行過程中，與空氣發生強烈相互作用，在其頭部形成強激波，波后空氣溫度增大，發生離解和電離等各種化學反應，在其周圍形成高溫流場等離子體，同時在其表面形成粘性邊界層，對飛行器表面產生很強的氣動加熱，導致飛行器表面溫度急劇升高，燒蝕防熱型表面材料發生燒蝕。燒蝕產物進入空氣邊界層流場，又與流場中的高溫空氣進行復雜化學反應，對飛行器周圍空氣流場中組分濃度和等離子體分布產生影響，從而影響飛行器通信[1]。研究飛行器表面防熱材料燒蝕產物對其周圍流場等離子體分布的影響，對于飛行器的突防和反突防系統設計有著非常重要的意義。

在等離子體形成機理及分布特性研究方面，國內外以戰宙飛船、航天飛機、星球探測飛行器等目標與通信特性影響的預測評估為應用背景，開展了大量的物理建模研究。國內邵純等[2]、張威等[3]學者采用數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流場熱化學參數、電子數密度等特性的影響規律；高鐵鎖等[4-5]針對高速再入體開展了燒蝕流場計算分析，分析了包含和不包含碳/酚醛燒蝕產物再入小鈍錐的繞流和尾流流場，分析了燒蝕產物對流場電子數密度、溫度等流動參數的影響，結果表明燒蝕產物對流場紅外輻射特性具有重要影響；魏叔如等[6]開展了碳/碳材料燒蝕對層流和湍流電離邊界層影響的計算方法研究，計算結果表明燒蝕對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密度數值比相同條件下的純空氣邊界層中電子數密度數值高1～2個數量級，但上述規律沒有進行試驗驗證。國外Keenan等[7-8]采用比較精確的耦合方法，在燒蝕壁面邊界，通過質量及能量守衡方程把燒蝕體和氣體流場耦合起來求解，研究了不同飛行速度下碳基材料燒蝕對流場溫度、組分等參數的影響。

總的來看，通過數值模擬的方法評估防熱材料燒蝕產物對流場等離子體分布的影響存在兩個技術難點：1)微量燒蝕材料體系熱化學燒蝕模型的建立。不同表面材料的表面燒蝕反應過程不同，對等離子體流場的影響也有較大差別，因此需要針對不同的表面材料建立相應的燒蝕反應模型。2)化學非平衡氣體動力學方程與燒蝕壁面邊界條件的耦合計算。在此方面存在兩個主要問題：一是由于往往存在著包括表面催化、氧化、燒蝕與熱解等復雜的氣體表面相互作用，氣體表面邊界條件會非常復雜，出現了涉及到材料特性、輸運特性的表面質量和能量平衡方程，表面邊界方程在流場中的求解算法十分復雜，難以建立燒蝕壁面邊界條件及其與氣體動力學方程的耦合計算方法；二是空氣流場中燒蝕組分增加帶來的數值計算量大的問題。因此難以構建準確的計算模型以開展數值模擬研究，必須通過開展試驗對不同防熱材料燒蝕產物對高溫流場等離子體的影響規律進行研究，對數值方法的結果進行驗證，為修正和完善計算模型提供數據支撐。

近年來，隨著風洞技術的發展和測量手段的進步，相關試驗研究在各類風洞設施上廣泛開展，例如袁野等[9]在高頻等離子體風洞上研究了碳/碳和碳/碳化鋯兩種復合防熱材料燒蝕情況下對下游流場的影響，結果表明在石英管中如果材料發生燒蝕，那么試驗段下游流場中的電子數密度會降低，碳/碳化鋯材料在降低下游流場的電離度和焓值方面優于碳/碳材料；上述工作加深了對碳基材料的燒蝕特性及對下游流場的影響規律，但無法直接對飛行器表面材料發生燒蝕并與高溫邊界層流動相互耦合影響下空間流場的電子數密度變化規律進行驗證。

碳/碳復合材料，即以碳纖維增強碳基體所組成的復合材料，因其卓越的高溫性能而在航空航天領域得到廣泛應用，如導彈頭部鼻錐、飛行器機翼等。為深入研究采用碳纖維增強類復合材料的高速飛行器發生燒蝕后對空間等離子體流場特性的影響規律，本文在高頻等離子體風洞中采用朗繆爾探針和柱塞量熱計等測量手段，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周圍繞流流場中電子數密度的影響規律。

1 試驗方法

1.1 試驗設備

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(ICP)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試驗研究的理想設備[10]。本研究在中國空氣動力研究與發展中心的高頻等離子體風洞上開展，風洞布局示意圖如圖1所示，其主要性能指標為：

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) 駐點壓力為3～30 kPa；

5) 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

試驗模型采用球錐外體，錐身的半錐角為10°，頭部半徑為15 mm，如圖2所示。試驗模型有兩類，分別為銅制的水冷金屬模型和純碳/碳材料的復合材料模型。

圖2 風洞試驗模型Fig.2 Wind tunnel test model

1.2 測量方法

1.2.1 電子數密度

試驗中采用朗繆爾探針法測量流場的電子數密度。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[11]，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，通過測量等離子體流場中探針的伏安特性曲線，從而得到等離子體參數[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，從而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)的差值為負值。這個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0 A，其表面的負電位將不再改變，此時的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。試驗測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[13-15]，則最終探針附近流場的電子數密度Ne可由(1)式計算：

(1)

式中：I為測量結果中的離子飽和電流(A)；A為柱狀探針側面積(m2)；k為玻爾茲曼常數；Te為電子溫度(eV)；m為離子質量，對于本實驗可近似取NO+質量4.98×10-26kg；e為元電荷電荷量，e≈1.6×10-19C.

試驗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、長度為15 mm.

圖3 朗繆爾探針照片Fig.3 Langmuir probe

試驗前，將模型通過高硅氧轉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支架上，送進系統的送進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送進支架如圖4所示。圖4中，d為朗繆爾探針與模型表面的距離。

圖4 試驗模型安裝及朗繆爾探針測試方案Fig.4 Test model installation and Langmuir probe test plan

試驗中，通過調整送進系統送進距離，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個值。朗繆爾探針前端距離試驗模型球頭駐點60 mm(沿母線方向)。

風洞開啟時，等離子體發生器首先通入氬氣起弧，之后過渡為空氣，調整空氣的進氣流量和風洞電源系統的電壓，保證試驗狀態達到設置的參數。待流場狀態穩定后，啟動送進系統，將朗繆爾探針送入距離試樣表面特定位置并停留0.5 s，測量流場的電子數密度。在試驗模型燒蝕過程中，可反復啟動送進系統，送到同一位置，多次測量不同時刻的燒蝕流場電子數密度。

1.2.2 模型表面熱流

試驗前采用和試驗模型外形一致的熱流校測模型，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為柱塞長度，取8×10-3m；ΔT為測得的柱塞溫升(K)；Δτ為溫升所用時間(s)。

1.2.3 射流駐點壓力

試驗前采用直徑20 mm的水冷平頭皮托壓力探頭[17]測量駐點壓力，測壓探頭的照片如圖5所示。為了保證測試結果的準確性，在試驗之前對壓力傳感器的靜態響應進行測試，獲得傳感器在一定壓力范圍內的標定系數。在試驗中，利用送進系統使壓力探頭以一定的速度經過整個流場區域，獲得射流中心的駐點壓力。

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

1.2.4 表面溫度測量

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

試驗中，采用雙色高溫計[18]測試了模型的球頭駐點和錐身前端的表面溫度，雙色高溫計具體參數如表1所示。試驗中，高溫計自身的瞄準激光可方便地確定高溫計測點的位置，兩支高溫計的測試位置如圖6所示。

表1 LumaSense IGAR 12-LO型比色高溫計參數

1.3 流場條件

試驗研究采用出口直徑為60 mm的噴管，該試驗的狀態參數如表2所示。

表2 試驗狀態參數

1.4 試驗內容

在超音速狀態下對銅質水冷模型、純碳/碳材料模型的高溫流場電子數密度進行了測量，其中：銅制水冷模型，研究純空氣流場中的電子數密度分布；純碳/碳材料模型，研究相同來流條件下材料發生燒蝕后，燒蝕產物對流場電子數密度的影響。

2 結果分析

試驗過程中，銅制水冷模型開展了5次重復性實驗，純碳/碳材料模型采用了5個試樣進行重復性實驗，減小由于試樣發生燒蝕后外形變化對測試結果的影響。試驗過程中，朗繆爾探針測試的部分照片分別見圖7和圖8所示。

圖7 銅質水冷模型及其與朗繆爾探針的相對位置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位置Fig.8 Pure carbon/carbon material model and its position relative to Langmuir probe

為了獲取試驗模型在燒蝕條件下流場的電子數密度，實驗過程中首先對模型表面溫度進行了測試，如圖9所示。由圖9可見：模型進入流場后其頭部溫度就達到了1 000 ℃，身部約在25 s超過了1 000 ℃；對于純碳/碳材料一般當溫度大于700 ℃時發生燒蝕[19]，因此純碳/碳材料模型進入風洞流場后，模型的頭部就開始發生燒蝕，模型的錐身部分在試驗過程中隨著溫度升高也逐漸發生燒蝕。

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

試驗前后對5個純碳/碳材料模型試樣的質量進行了測試，從而獲得純碳/碳材料模型在試驗過程中的平均質量燒蝕速率，試驗中其平均質量燒蝕速率為0.03 g/s左右，如表3所示。

表3 純碳/碳材料模型的試驗結果

由于試驗中純碳/碳材料處于嚴重的燒蝕過程中，且頭部外形發生顯著變化(見圖10)，因此為了盡可能地減小模型的氣動外形變化對繞流流場中電子數密度的影響，考慮到純碳/碳材料的燒蝕時間較短，因此朗繆爾探針測試結果只取前120 s中多次測試數據的平均值；由于試樣不斷發生燒蝕和外形的變化，整個燒蝕過程中其表面溫度均未達到平衡，表3中各個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Fig.10 Surface states of pure carbon/carbon material model before and after ablation

試驗模型流場的電子數密度測試結果如表4所示，對于純碳/碳材料模型，試驗中測試了1號試樣和2號試樣距離表面3 mm位置的電子數密度，測試了3號試樣和4號試樣距離表面6 mm位置的電子數密度，測試了5號試樣距離表面9 mm位置的電子數密度。試驗結果分析可見：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的電子數密度均低于銅質水冷模型相同位置的電子數密度；在距離表面9 mm的位置純碳/碳模型試樣與銅質水冷模型的電子數密度相當。2)對于純碳/碳材料模型的燒蝕繞流流場，電子數密度隨著距離表面位置的增大而增大。3)對比純碳/碳模型的5個試樣結果，結合表3各試樣的燒蝕速率，可以發現純碳/碳材料模型發生燒蝕后的流場電子數密度均隨著質量燒蝕速率的增加而減小，如圖11所示。

圖11 燒蝕情況對不同位置流場電子數密度的影響Fig.11 Influence of ablation on electron number density in different positions of flow field

同時，試驗中測試了距離銅質水冷模型表面12 mm、15 mm的電子數密度，如表4所示。由表4可以看出，距離銅質水冷模型表面12 mm和15 mm的電子數密度與距離其表面9 mm位置的電子數密度相當，且純碳/碳材料模型試樣燒蝕繞流流場距離試樣表面9 mm位置的電子數密度與銅質水冷模型繞流流場距離表面9 mm位置的電子數密度相當。結合圖8中純碳/碳材料模型發生明顯燒蝕時繞流流場與探針相對位置的照片，以及圖11不同位置和燒蝕狀態下的流場電子數密度，可以認為：在距離試樣前端60 mm的位置，含燒蝕產物的繞流流場厚度在6～9 mm之間。

表4 流場電子數密度試驗結果

從高溫流場電子密度產生的物理本質分析，流場中的電子密度主要由NO發生電離反應產生，但是由于碳/碳燒蝕壁面的氧化反應，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；而遠離壁面的流場受燒蝕影響較小，因此電子密度幾乎不受影響；并且燒蝕量越大，壁面附近燒蝕流場中的電子密度降低越多。

3 結論

本文采用高頻等離子體風洞研究了純碳/碳材料燒蝕對高溫流場的電子數密度的影響，試驗結果表明：

1) 當純碳/碳材料模型處于明顯的燒蝕狀態時，含有燒蝕產物的繞流流場的電子數密度低于銅質水冷模型純空氣繞流流場的電子數密度。

2) 純碳/碳材料燒蝕后的流場電子數密度均隨著質量燒蝕速率的增加而減小。

3) 純碳/碳材料燒蝕產物僅影響距離壁面一定距離流場的電子數密度，遠離壁面的流場中電子數密度與純空氣流場接近。

參考文獻(References)

[1] 樂嘉陵, 高鐵鎖, 曾學軍, 等. 再入物理[M]. 北京: 國防工業出版社, 2005.

LE J L, GAO T S, ZENG X J, et al. Reentry physics[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2005. ( in Chinese)

[2] 邵純，王璐，陳偉芳. 碳基材料燒蝕下的熱化學非平衡流場數值模擬研究[J]. 工程力學, 2016, 33(2):249-256.

SHAO C, WANG L, CHEN W F. Numerical simulation for thermochemical nonequilibrium flow under carbon based material ablation condutions[J]. Engineering Mechanics, 2016, 33(2):249-256. ( in Chinese)

[3] 張威, 曾明, 肖凌飛, 等. 碳- 酚醛材料燒蝕熱解對再入流場特性影響的數值計算[J]. 國防科技大學學報, 2014, 36(4):41-48.

ZHANG W, ZENG M, XIAO L F, et al. Numerical study for the effects of ablation and pyrolysis on the hypersonic reentry flow[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2014, 36(4):41-48.( in Chinese)

[4] 高鐵鎖, 董維中, 張巧蕓. 高超聲速再入體燒蝕流場計算分析[J].空氣動力學學報,2006,24(1):41-45,50.

GAO T S, DONG W Z, ZHANG Q Y. The computation and analysis for the hypersonic flow over reentry vehicles with ablation [J].Acta Aerodynamica Sinica, 2006,24(1):41-45,50. (in Chinese)

[5] 董維中,高鐵鎖,張巧蕓.高超聲速三維碳/碳燒蝕流場的數值研究[J].空氣動力學學報,2001,19(4):388-394.

DONG W Z, GAO T S, ZHANG Q Y. Numerical simulation of 3-D graphite ablation flowfields over a hypersonic reentry blunt body [J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2001,19(4):388-394.( in Chinese)

[6] 魏叔如,王策,王福漢. 碳/碳材料燒蝕對電離邊界層的影響[J]. 空氣動力學學報，1989, 7(4):407-416.

WEI S R, WANG C, WANG F H. Carbon/carbon materials composition ablation effects on ionized boundary layer[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 1989,7(4):407-416.

[7] KEENAN J, CANDLER G. Simulation of graphite sublimation and oxidation under re-entry conditions[C]∥Proceedings of the 6th Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference. Colorado Springs,CO,US: AIAA, 1994: 1-14.

[8] LACHAUD J, ASPA Y, VIGNOLES G L. Analytical modeling of the steady state ablation of a 3D C/C composite[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008,51(9/10):2614-2627.

[9] 袁野,王麗燕, 曹占偉,等. 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[J]. 兵工學報, 2020, 41(2): 298-304.

YUAN Y, WANG L Y, CAO Z W, et al. Experimental Research on the influence of ablation product of carbon fiber reinforced composite material on the plasma flow field characteristics[J]. Acta Armamentarii, 2020, 41(2): 298-304.(in Chinese)

[10] 潘德賢, 蔣剛, 王國林, 等. 靜電探針在高頻等離子體風洞中的應用[J]. 實驗流體力學, 2014, 28(3): 72-77.

PAN D X, JIANG G, WANG G L, et al. Application of Langmuir probe in high frequency plasma wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2014, 28(3): 72-77. ( in Chinese)

[11] SREENIVASULU M, PATRA S, GOWRAVARAM M. Powered automatic measuring system for Langmuir probe plasma analysis[J]. Review of Scientific Instruments, 2001, 72(11):4312-4314.

[12] BON-WOONG K, NOAH H. Langmuir probe in low temperature, magnetized plasma: theory and experimental verification[J]. Journal of Applied Physics, 1999, 86(3): 1213-1220.

[13] CHEN F F. Langmuir probe analysis for high density plasmas[J]. Physics of Plasma, 2001, 8(6): 3029-3041.

[14] JESSE A L, ALEC D G. Internal Langmuir probe mapping of a hall thruster with xenon and krypton propellant[C]∥Proceedings of the 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Sacramento, CA, US: AIAA, 20064470.

[15] HUTCHINSON I H. Principles of plasma diagnostics [M]. 2nd ed. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2002.

[16] 丁小恒. 高超聲速飛行試驗熱流密度測量方法與裝置研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學: 2015.

DING X H. Heat flux measurement method and instrument for hypersonic flight test[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2015. (in Chinese)

[17] 常雨. 桿式皮托壓力傳感器初步研究[C]∥第十六屆全國激波與激波管學術會議論文集.洛陽:中國力學學會,2014:436-441.

CHANG Y. Preliminary study on rod pitot pressure sensor [C]∥ Proceedings of the 16th National Shock and Shock Tube Acade-mic Conference. Luoyang: China Society of Mechanics, 2014: 436-441. (in Chinese)

[18] 朱燕偉. 高速飛行器熱結構材料小型化測溫裝置的研究 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學,2012.

ZHU Y W. Research on miniaturized temperature measurement device for high speed aircraft thermal structure materials[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2012.(in Chinese)

[19] 王國雄. 彈頭技術[M]. 北京: 中國宇航出版社, 1993: 415.

WANG G X. Warhead technology[M]. Beijing: China Astronautic Publishing House, 1993: 415. (in Chinese)