高溫?zé)岱雷o(hù)材料發(fā)射率測量技術(shù)研究.pdf

1、高速近空間飛行器是實(shí)現(xiàn)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(dǎo)彈、人造衛(wèi)星和航天飛機(jī)之后航天技術(shù)的重大飛躍。其中熱防護(hù)系統(tǒng)的散熱性能制約飛行器在氣動(dòng)模式下的極限飛行速度與滯空時(shí)間。以熱輻射為主要散熱形式的熱防護(hù)材料具有不影響氣動(dòng)模式和可重復(fù)使用的特點(diǎn),該類熱防護(hù)材料以發(fā)射率為主要評(píng)定指標(biāo)。課題的目的是研究測量該類熱防護(hù)材料發(fā)射率的方法、理論和關(guān)鍵技術(shù)。該類高溫?zé)岱雷o(hù)材料輻射特性的評(píng)定是設(shè)計(jì)高速近空間飛行器熱

2、防護(hù)系統(tǒng)的重要依據(jù),對(duì)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(shí)現(xiàn)在線高溫目標(biāo)的發(fā)射率測量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,也是本文研究的難點(diǎn)問題之一。在研究隨機(jī)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(jī)性與無規(guī)則性對(duì)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?zé)崞胶鉅顟B(tài)下熱輻射的高次非線性耦合問題,實(shí)現(xiàn)

3、超寬溫區(qū)的非導(dǎo)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(biāo)黑體軸向熱膨脹的熱應(yīng)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(shù)問題。
　　課題“高溫?zé)岱雷o(hù)材料發(fā)射率測量技術(shù)研究”的研究目的是解決高溫?zé)岱雷o(hù)材料在線發(fā)射率測量、隨機(jī)無規(guī)則粗糙材料表面的發(fā)射率計(jì)算及模擬高溫環(huán)境的發(fā)射率測量的關(guān)鍵技術(shù)等問題。本課題的主要研究內(nèi)容如下:
　　首先,提出了基于洛倫茲復(fù)介電函數(shù)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(duì)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(gòu)建基于洛倫茲復(fù)介電函數(shù)的光譜發(fā)射率模型,并建立以光譜亮溫方差最小化為計(jì)算目標(biāo)的約束方程。采用基于傅里葉光譜儀的多溫度點(diǎn)多光譜黑體定標(biāo)方法,克服光譜儀響應(yīng)的非線性問題,并采用光譜儀測量未知溫度在線目標(biāo)的光譜輻射亮度。采用粒子群算法計(jì)算約束方程中的多維參量,得到高溫目標(biāo)的光譜發(fā)射率及真溫等參量。實(shí)驗(yàn)表明,該方法計(jì)算的光譜發(fā)射率在2～20μm光譜范圍內(nèi),與理論

5、基準(zhǔn)值的最大誤差小于4.6％,與光譜能量比較法的測量結(jié)果的最大誤差為3.5%,并隨著波長的增大,光譜發(fā)射率計(jì)算誤差逐漸減小。
　　其后,提出了隨機(jī)無規(guī)則粗糙表面光譜發(fā)射率計(jì)算方法。針對(duì)幾何光學(xué)粗糙量級(jí)的二維隨機(jī)無規(guī)則粗糙表面的發(fā)射率計(jì)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(shù)關(guān)系。采用高斯功率譜密度的二維隨機(jī)粗糙表面的建立方法生成表達(dá)二維隨機(jī)粗糙表面的矩陣,并采用離散三角

6、形覆蓋法計(jì)算隨機(jī)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(shù)的函數(shù)計(jì)算關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明,采用該方法計(jì)算的光譜發(fā)射率與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的誤差的最大值為5.7%。提出的方法得到了二維隨機(jī)無規(guī)則粗糙表面的表觀發(fā)射率與粗糙參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系,適用于任意隨機(jī)無規(guī)則粗糙表面的表觀發(fā)射率計(jì)算。
　　最后,模擬熱防護(hù)材料在實(shí)驗(yàn)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(jié)