李 欣， 劉德峰， 黃漫國， 梁曉波

(1.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111；2.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101111)

輻照晶體溫度傳感器作為一種新型的溫度傳感器，具有體積小、質(zhì)量輕、測溫范圍廣和測溫精度高等特點(diǎn)[1]，尤其是在測溫過程中無需供電、無需引線連接，在使用時(shí)可進(jìn)行大規(guī)模布點(diǎn)安裝。相比熱電偶等傳統(tǒng)的測溫方法，輻照晶體溫度傳感器可解決高速旋轉(zhuǎn)部件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件和封閉空間下的測溫難題，在多點(diǎn)測溫、溫場確定方面具有很大優(yōu)勢。

在國外，輻照晶體高溫測量技術(shù)已發(fā)展得相當(dāng)成熟，俄羅斯、美國、日本等已研制出相應(yīng)傳感器產(chǎn)品，并廣泛地應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片溫度測量、飛行器表面溫度測量等工業(yè)及航天航空領(lǐng)域。俄羅斯先后于1999年、2008年在暴風(fēng)雪號(hào)BOR-4和BOR-5航天飛機(jī)表面分別安裝了83顆和114顆輻照晶體溫度傳感器，獲得了飛行器整機(jī)溫度分布云圖，為飛行器熱防護(hù)層的材料選擇、結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和飛行參數(shù)設(shè)定等提供了極為關(guān)鍵的數(shù)據(jù)[2]。美國LG Tech-Link公司已生產(chǎn)出相應(yīng)的產(chǎn)品，該產(chǎn)品尺寸為0.2 mm×0.2 mm×0.38 mm，測試溫度范圍為150～1450 ℃，精度為±5 ℃，如圖1所示。西門子公司將輻照晶體溫度傳感器用于GTX-100發(fā)動(dòng)機(jī)葉片溫度試驗(yàn)中，如圖2所示。在一個(gè)葉片上安裝了90個(gè)晶體溫度傳感器[3]，用于繪制發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱區(qū)域的3D溫度梯度圖，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，西門子公司對發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。

圖1 LG Tech-Link公司的晶體溫度傳感器

圖2 晶體溫度傳感器用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片溫度測量

在國內(nèi)，輻照晶體測溫技術(shù)作為一種新型的測溫技術(shù)，也受到越來越多的關(guān)注。中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院和沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所開展了關(guān)于輻照晶體用于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測量的相關(guān)研究[4-5]。筆者所在單位對晶體輻照損傷及退火特性開展了相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)研究[6]，所研制的輻照晶體溫度傳感器在600～1400 ℃范圍內(nèi)測溫精度能達(dá)到±30 ℃，傳感器體積小于1 mm3。

由于輻照晶體溫度傳感器在使用過程中一般都面臨著高溫高壓強(qiáng)振動(dòng)等復(fù)雜的使用環(huán)境，會(huì)引入測量誤差，造成工程應(yīng)用環(huán)境下與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測量結(jié)果的差異。以輻照晶體測量飛行器熱防護(hù)層外表面溫度為例，對不同安裝方式下剛性陶瓷隔熱瓦及輻照晶體的溫度場進(jìn)行了有限元仿真分析，比較了埋入式和表面粘貼兩種安裝方式的特點(diǎn)，為后續(xù)輻照晶體溫度傳感器在真實(shí)飛行試驗(yàn)中的安裝及測試提供理論支持。

1 輻照測溫原理

輻照晶體溫度傳感器主要基于中子輻照缺陷在高溫下復(fù)原的性質(zhì)。晶體材料在高能中子的轟擊下，晶格內(nèi)部產(chǎn)生大量缺陷，如間隙原子、空位和位錯(cuò)等，破壞晶體原子周期型排列的特點(diǎn)，即輻照導(dǎo)致晶體晶格從有序性轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序性，體現(xiàn)為晶格體積膨脹[7]。而輻照導(dǎo)致晶體內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷可通過熱處理的方式消除，缺陷的消除取決于熱退火溫度和熱退火時(shí)間。因此，輻照導(dǎo)致的各種性能的變化會(huì)伴隨著熱退火過程中缺陷的消失而逐漸恢復(fù)到未輻照的水平。在恢復(fù)過程中，缺陷的總濃度會(huì)隨著退火溫度的升高不斷降低，濃度隨時(shí)間的變化可表示為

(1)

式中，K為溫度的函數(shù)，可表示為

K=K0exp(-U/kT)

(2)

其中,U為激活能；K0為常數(shù)；k為氣體常數(shù)；T為溫度。f(n)是缺陷濃度n的函數(shù)，例如

f(n)=nr

(3)

其中，r為反應(yīng)級數(shù)，由缺陷在恢復(fù)過程中具體的消失情況所決定，反應(yīng)級數(shù)r和激活能U可以利用不同溫度下的等溫退火曲線來確定。

由此可見，通過輻照晶體退火階段，即測溫階段的溫度與輻照晶體內(nèi)部缺陷情況存在對應(yīng)關(guān)系，利用這種對應(yīng)關(guān)系，便可實(shí)現(xiàn)溫度的測試[8-9]。因此通過檢測殘余缺陷濃度就可以得到退火過程中的最高溫度。

2 有限元模型和邊界條件

SiC晶體本身具有熱穩(wěn)定性高、導(dǎo)熱性好和熱容小等物理特性，同時(shí)輻照晶體溫度傳感器的體積極小，因此對被測物溫度場的擾動(dòng)可以忽略不計(jì)。結(jié)合飛行器外表面熱防護(hù)層的氣動(dòng)特點(diǎn)，主要設(shè)計(jì)了表面粘貼式和埋入式兩種輻照晶體的安裝方案，即分別將輻照晶體通過高溫膠直接粘接在隔熱瓦外表面和通過在隔熱瓦表面挖槽后將輻照晶體用高溫膠固定在槽內(nèi)。下面則分別針對輻照晶體在這兩種安裝方式下對測溫結(jié)果產(chǎn)生的影響進(jìn)行有限元仿真分析。

所建立的物理模型具體如圖3所示。其中，輻照晶體溫度傳感器為0.2 mm×0.2 mm×0.38 mm的長方體；剛性隔熱瓦為直徑16 mm、高度10 mm的圓柱體；表面粘貼式安裝方案中膠塊為直徑1 mm的半球體，埋入式安裝方案中凹槽為直徑1 mm、深度0.5 mm的圓柱體。

圖3 兩種安裝方案的物理模型示意圖

以飛行器再入階段的氣動(dòng)加熱過程為例進(jìn)行有限元分析。忽略飛行器在隔熱瓦與周圍空氣的熱交換，高速空氣熱流在瞬態(tài)狀態(tài)中以對換熱為主、熱輻射為輔的導(dǎo)熱形式向隔熱瓦表面進(jìn)行傳導(dǎo)，以引起整個(gè)結(jié)構(gòu)溫度的升高。由于隔熱瓦表面的熱流是非穩(wěn)態(tài)的，導(dǎo)致隔熱瓦內(nèi)部的導(dǎo)熱方式也是非穩(wěn)態(tài)的，隔熱瓦溫度場隨時(shí)間坐標(biāo)而變化。

以某型飛行器再入階段的氣動(dòng)加熱計(jì)算結(jié)果作為熱流載荷輸入條件，如圖4所示。隔熱瓦表面輻射率設(shè)為0.85。隔熱瓦、輻照晶體及高溫膠的熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖4 加載的熱流條件

材料密度/g·cm-3導(dǎo)熱系數(shù)/W·(m·K)-1比熱容/J·(g·℃)-1隔熱瓦0.42100℃:0.10500℃:0.201000℃:0.251500℃:0.30100℃:0.8500℃:1.0900℃:1.1輻照晶體3.10200.7534高溫膠1.6661.4230

3 結(jié)果及分析

經(jīng)過2080 s的非穩(wěn)態(tài)溫度場仿真計(jì)算，分別得到表面粘貼式安裝方案和埋入式安裝方案中隔熱瓦及輻照晶體溫度傳感器在不同時(shí)刻下的溫度分布。

表面粘貼式安裝方案中隔熱瓦、輻照晶體的溫度分布情況如圖5、圖6所示，其中圖5(a)、圖6(a)分別為兩者在整個(gè)2080 s所經(jīng)歷的溫度變化。其中隔熱瓦在t=1035 s時(shí)達(dá)到最高溫度值，具體溫度分布情況見圖5(b)，輻照晶體在t=1040 s時(shí)達(dá)到最高溫度值，具體溫度分布情況見圖6(b)。

圖5 表面粘貼式安裝方案中隔熱瓦的溫度分布

圖6 表面粘貼式安裝方案中輻照晶體的溫度分布

埋入式安裝方案中隔熱瓦、輻照晶體的溫度分布情況如圖7、圖8所示，其中圖7(a)、圖8(a)分別為兩者在整個(gè)2080 s所經(jīng)歷的溫度變化，其中隔熱瓦在t=1050 s時(shí)達(dá)到最高溫度值，具體溫度分布情況見圖7(b)，輻照晶體在t=1270 s時(shí)達(dá)到最高溫度值，具體溫度分布情況見圖8(b)。

圖7 埋入式安裝方案中隔熱瓦的溫度分布

圖8 埋入式安裝方案中輻照晶體的溫度分布

根據(jù)以上仿真結(jié)果可以看出：

① 對于表面粘貼式安裝方案，隔熱瓦的外表面溫度在t=1035 s時(shí)達(dá)到最大值1260 ℃，輻照晶體溫度在t=1040 s時(shí)達(dá)到最大值1260 ℃，兩者經(jīng)歷的最高溫度相同，只是輻照晶體到達(dá)最高溫的時(shí)間與隔熱瓦相比延遲5 s。在表面粘貼式安裝方案中，輻照晶體溫度傳感器與隔熱經(jīng)歷的最高溫度值相同，因此可認(rèn)為該安裝方式下并未對輻照晶體的測溫引入誤差。

② 對于埋入式安裝方案，隔熱瓦的外表面溫度在t=1050 s時(shí)達(dá)到最大值1251 ℃，輻照晶體溫度在t=1270 s時(shí)達(dá)到最大值1232 ℃，輻照晶體達(dá)到最高溫的時(shí)間比隔熱瓦延遲了220 s，且所經(jīng)歷的最高溫度值低了19 ℃。由于這種埋入式安裝會(huì)對輻照晶體的測溫引入一定的誤差，因此在后期對輻照晶體測溫結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)需要考慮安裝方式導(dǎo)致的誤差，對測溫結(jié)果進(jìn)行一定的補(bǔ)償。

4 結(jié)束語

針對飛行器外表面熱防護(hù)層采用表面粘貼及埋入式兩種不同安裝方式下輻照晶體及隔熱瓦的溫度分布進(jìn)行了有限元仿真分析，通過分析比較兩種安裝方式下的仿真結(jié)果可知，在后期對輻照晶體進(jìn)行數(shù)據(jù)處理精度相同的情況下，表面粘貼式方案與埋入式方案相比，測量精度更高。但是表面粘貼安裝的牢靠性主要取決于高溫膠在高溫沖擊下的強(qiáng)度，因此對于不同方案的選擇還要綜合權(quán)衡被測位置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和氣動(dòng)特性，同時(shí)結(jié)合地面環(huán)境試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)等試驗(yàn)結(jié)果評估而定。