力学所完成新型抗激光加固结构在高超声速风洞环境中的试验验证

抗激光加固已经成为高速飞行器结构设计必须考虑的重要环节。目前常见的抗激光加固技术主要包括反射涂层、高导热材料、烧蚀材料和拖延传热技术。虽然现有的抗激光加固技术可以在一定程度上延缓激光破坏时间，但是由于工艺复杂、功能单一、结构效率低、力学性能差，在实际应用中仍存在一定的局限性。针对上述问题，中科院力学所热结构耦合力学研究团队提出了一种填充隔热型材料或者烧蚀型材料的点阵夹层板结构来提高抵抗高能连续激光辐照的方法（图1）。前期已完成了结构设计与试验验证（Composite Structures，2018a）、抗加机理与数值仿真（Composite Structures，2018b）研究。近期，研究团队为了获得更为真实服役环境条件下的抗激光加固性能，在高超声速风洞内开展了填充点阵夹层结构的抗激光辐照性能的试验验证。研究表明，在马赫6．0来流条件下，相同面密度的实心面板、空心点阵夹层板、隔热填充夹层板和烧蚀填充夹层板激光破坏时间分别比静态环境激光辐照下减小了69％，77％，70％和34％（图2），说明烧蚀填充夹层板在高速气流环境下具有更好的抗激光加固性能。对比该型结构在不同环境下激光烧蚀的宏微观形貌（图3），在静态环境下的激光烧蚀机理主要是氧化和升华，而在高超声速风洞内的主要烧蚀机理是剥蚀和升华。对比高超声速风洞条件下的激光烧蚀形貌（图4），传统实心面板在激光辐照2．33 s时击穿，而烧蚀填充点阵夹层结构即使在激光辐照4 s时也仅在辐照面发生微小损伤。因此，采用轻质烧蚀型材料填充点阵夹层结构可以在相同面密度即不改变结构质量的前提下，显著提升抗激光强度，延缓破坏时间。该研究成果为高速飞行器抗激光加固设计提供了新的方法与思路。研究成果以“Experimental Study of the High－Power Laser Resistance of Ablative Material－Filled Sandwich Panels with Truss Cores under Hypersonic Airflow”为题目，近期发表于Composite Structures。该工作获得了国防基础科研重点项目、国家自然科学基金项目等项目支持。图1． 填充点阵夹层板结构设计与抗激光加固机理图2． 不同结构形式在静态与高超声速气流环境下的破坏时间对比图3． 不同环境下的宏微观烧蚀形貌比较． （a）静态激光烧蚀； （b）高超声速风洞中激光烧蚀（a）（b）图4． 马赫6．0来流条件下激光烧蚀形貌． （a）实心面板三维破坏形貌与烧蚀型线； （b）烧蚀填充点阵夹层结构三维破坏形貌与烧蚀型线