X43高超声速飞行器的飞行热走廊研究

建立飞行器的热走廊物理模型和求解方法对于设计飞行器防热结构、确定飞行轨道和优化气动外形等均有重要的工程应用价值,本文对X43高超声速飞行器的飞行热走廊的物理含义进行了分析,初步建立了飞行热走廊的物理模型,给出了该物理模型下飞行热走廊的控制方程和求解方法,通过对X43高超声速飞行器典型位置的飞行热走廊的计算,研究了高超声速飞行器的热走廊规律和特征,研究了防热材料的性能对飞行走廊的限制,明确了防热材料的关键防热参数,通过研究发现: (1)防热材料的发射系数越大,其对应的热走廊越宽阔,飞行轨道的选择余地也越大; (2)不同位置、不同流态对应的热走廊边界不同,推迟转捩发生可以增加热走廊区域,有利于防热.     

跨流域高超声速绕流环境Boltzmann模型方程统一算法研究

如何准确可靠地模拟从外层空间高稀薄流到近地面连续流的航天器高超声速绕流环境与复杂流动变化机理是流体物理的前沿基础科学问题. 基于对Boltzmann方程碰撞积分的物理分析与可计算建模, 确立了可描述自由分子流到连续流区各流域不同马赫数复杂流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程, 发展了适于高、低不同马赫数绕流问题的离散速度坐标法和直接求解分子速度分布函数演化更新的气体动理论数值格式, 建立了模拟复杂飞行器跨流域高超声速飞行热环境绕流问题的气体动理论统一算法. 对稀薄流到连续流不同Knudsen数0.002 ≤Kn_∞ ≤1.618、不同马赫数下可重复使用卫星体再入过程(110–70 km)中高超声速绕流问题进行算法验证分析, 计算结果与典型文献的Monte Carlo直接模拟值及相关理论分析符合得较好. 研究揭示了飞行器跨流域不同高度高超声速复杂流动机理、绕流现象与气动力/热变化规律, 提出了一个通过数值求解介观Boltzmann模型方程, 可靠模拟高稀薄自由分子流到连续流跨流域高超声速气动力/热绕流特性统一算法.     

基于正交试验的RLV再入轨迹参数灵敏度分析

为分析RLV再入过程中参数对再入动态性能的影响,基于正交试验设计理论,运用极差分析法对影响RLV再入过程的7项重点参数开展灵敏度研究,仿真试验结果表明峰值热流、峰值动压、峰值过载和总加热量对初始速度和质量最为敏感,质量、初始航迹偏角、常值升力系数和初始高度之间的耦合灵敏度较大。提高初始速度和质量的精度,其它灵敏度较低的参数可适当放宽精度,从而提高飞行器性能,降低飞行器研制成本,确保再入飞行的安全性和可靠性。该方法不受系统模型限制,能减少试验运算和数据处理工作量,可有效应用于非线性、不连续的RLV动态再入过程制导算法鲁棒性评估和参数灵敏度分析,为再入任务规划提供理论支撑。     

材料防热的多尺度现象与防热建模

新型高速飞行器返回再入及在大气层内飞行的过程中面临多样化的气动加热环境, 材料工艺的改进和多组分的添加使材料高温热响应特性变得更加复杂, 并呈现多尺度特性.文章从飞行热环境、材料工艺特征和细微观响应等方面对材料防热机理和建模方法进行了阐述, 对不同类型飞行器热环境特征与防热建模难点进行了分析, 对各类防热材料工艺与热响应特点进行了总结, 提出了防热建模分析中需要重点关注的几类问题并给出了典型的应用案例, 最后重点介绍了基于微观的组分高温热物性预示方法和材料优化设计的案例与验证方法, 以期对新型飞行器的防热设计有所助益.      

高超声速再入体表面热解烧蚀效应数值模拟

表面防热材料热解与烧蚀效应研究在高超声速飞行器总体设计中具有重要应用价值。以热解烧蚀效应对飞行器目标特性及通信性能影响的预测评估为背景, 从化学非平衡气体动力学方程及固体热传导方程出发, 建立了气-固交界面上热解烧蚀壁面边界条件的一般形式及热物理化学模型, 发展了高超声速再入体绕流流场与表面材料内部温度场耦合求解的数值模拟方法, 并对计算模型和数值方法的可靠性进行了验证分析。在此基础上针对复杂外形再入体及表面硅基防热材料, 开展了典型再入条件下再入体绕流及尾流流场的数值模拟, 重点分析了表面材料热解烧蚀效应对流场等离子体分布的影响。研究表明: 在表面材料中不含碱金属杂质的情况下, 热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布影响较小, 而在含有微量碱金属杂质的情况下, 热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布及化学组分分布具有很大影响, 由此对再入目标特性与电磁通信性能带来的影响不容忽视。      

类前缘外形防热层的瞬态热响应计算研究

本文针对可重复使用热结构,计算研究了类前缘外形热结构防热层瞬态热响应问题,探索分析了前缘防热层的热响应特征．在计算中成功地实现了任意坐标变换下代数网格生成,并求解了任意坐标下的热传导方程,为进一步开展外流场／结构热响应全耦合一体化计算研究打下了基础．     

超高速高空低动压柔性罩体脱落天地相关性研究

柔性罩体包裹于飞行器外表面,在飞行中段起到保护作用.再入过程中在气动力/热共同作用下,从飞行器表面拉开、脱落,脱落过程产生的附加干扰力/力矩,对飞行器再入姿态产生影响,造成惯性落点偏差.采用地面风洞模拟超高速高空低动压环境,考核不同再入动压条件下,罩体连接绳在气动力作用下的脱开过程,以及脱落过程对飞行器产生的干扰力/力矩.根据动态相似准则,将地面试验条件下罩体模型的脱落历程推导到飞行条件,建立刚体动力学仿真模型计算落点,与无干扰模型的理论落点对比,采用概率统计的方法分析罩体脱落引起的飞行器落点偏差,为罩体连接形式的优化设计提供支撑.      

CFD在高速飞行器热气弹问题中的应用

采用气动力/热/结构耦合的方法对高速细长体飞行器结构热静气动弹性问题进行了研究.为保证耦合计算精度，达到准确预测热气动弹性特性的能力，气动力和气动热计算采用CFD数值模拟方法，热应力和热变形计算采用有限元方法并通过热考核试验验证.以该简单细长体飞行器模型为研究对象，对其热静气动弹性特性进行了计算与分析，计算结果表明:CFD/CSD耦合可准确模拟热气弹问题，且气动加热造成结构温升不均衡是结构变形的主导因素，力热耦合静气弹变形与单纯受力分析变形形式不同，对飞行器气动特性影响规律不同.准确预测飞行器热气动弹性特性对飞行器结构设计十分必要.      

基于高斯伪谱法的高超声速飞行器再入制导研究

针对高超声速飞行器再入标准轨迹制导方法中存在的制导准备周期长、弹上需存储标准轨迹参数、制导鲁棒性较差等缺点,本文提出了一种基于高斯伪谱法与滚动时域控制技术相结合的高超声速飞行器再入预测-校正制导方案。其中,在线高斯伪谱法采用纵/侧向、全程一体化的制导算法思路,从而实现了对高超声速飞行器再入弹道的全程预测-校正。同时结合滚动时域控制技术从工程上实现了高超声速飞行器再入制导中对开环制导信息的闭环应用,完成了飞行器预测-校正制导方案。通过对高超声速飞行器再入制导过程进行仿真分析,其结果表明应用本文设计的基于高斯伪谱法与滚动时域控制技术相结合的高超声速飞行器再入预测-校正制导方案,飞行器再入过程中具有良好的制导性能。     

高温超导体磁通跳跃数值模拟

文中基于超导磁通动力学理论,考虑电磁力与热激活对磁通运动的影响,基本物理模型由等效电阻率随超导体温度和磁场变化的磁通扩散方程,以及比热随超导体温度变化的热传导方程组成。在此基础上,用差分法数值求解了这一复杂非线性系统的磁热耦合控制方程,得到了与实验观测结果基本一致的数值模拟结果。结果还表明：外加磁场变化速度、超导体初始温度以及超导尺寸对于磁通跳跃均产生明显的影响。     

亚表面异质缺陷对功能梯度材料表面温度场的影响

基于双曲型热传导方程,采用镜像法和波函数展开法,求解了含亚表面异质圆柱缺陷的半无限功能梯度材料的表面温度场,给出了功能梯度材料中热波散射的一般解.分析了亚表面异质圆柱缺陷的几何参数(如埋藏深度)和热物理参数(如导热系数、热扩散长度、热扩散率及热弛豫时间等)对功能梯度材料表面温度场的影响.温度波由调制的超短脉冲激光在功能梯度材料表面激发,异质圆柱缺陷表面的边界条件为导热边界.研究结果可望为功能梯度材料的红外热波无损检测、导热反问题提供计算方法和参考数据.     

Aerothermodynamic Analysis of a Reentry Brazilian Satellite

This work deals with a computational investigation on the small ballistic reentry Brazilian vehicle SAtélite de Reentrada Atmosférica (SARA). Hypersonic flows over the vehicle SARA at zero-degree angle of attack in chemical equilibrium and thermal nonequilibrium are modeled by the direct simulation Monte Carlo method, which has become the main technique for studying complex multidimensional rarefied flows, and which properly accounts for the nonequilibrium aspects of the flows. The emphasis of this paper is to examine the behavior of the primary properties during the high-altitude portion of SARA reentry. In this way, velocity, density, pressure, and temperature field are investigated for altitudes of 100, 95, 90, 85, and 80?km. In addition, comparisons based on geometry are made between axisymmetric and planar two-dimensional configurations. Some significant differences between these configurations were noted on the flowfield structure in the reentry trajectory. The analysis showed that the flow disturbances have different influence on velocity, density, pressure, and temperature along the stagnation streamline ahead of the capsule nose. It was found that the stagnation region is a thermally stressed zone. It was also found that the stagnation region is a zone of strong compression, high wall pressure. Wall pressure distributions are compared with those of available experimental data, and good agreement is found along the spherical nose for the altitude range investigated.     

再入过载的匹配渐进展开分析与卸载方法研究

探月飞船返回地球时将以第二宇宙速度再入地球大气层,面临极其严苛的气动环境,因此对于再入气动过载的分析具有重要意义.再入运动方程是一组非线性很强的常微分方程,数值方法计算量大,不适用于在线任务.因此,本文采用一种近似解法对气动过载进行分析.首先,基于匹配渐进展开方法将再入纵向运动解在大气外层区域与内层区域分别展开,得到统一形式的闭型近似解,在此基础上分段求解气动过载,并与精确解进行对比分析.其次,利用闭型近似解,通过当前状态反解虚拟初始条件,在此基础上提出初次过载峰值的解析预测方法,并分析了不同条件下预测的相对误差变化规律.最后,基于过载峰值的解析预测对飞船的初次再入过程进行卸载,将飞船在再入过程中耗散的总能量进行重新分配,并通过蒙特卡罗飞行仿真试验验证了卸载方法的有效性.     

含双圆柱亚表面缺陷板条材料的表面温度分布

基于非傅里叶热传导方程,采用复变函数法和镜像法,研究了含双圆柱亚表面缺陷板条材料热波散射的温度场,并给出了热波散射温度场的解析解。分析了入射波波数、热扩散长度、缺陷的埋藏深度以及板条材料的厚度等对板条表面温度分布的影响。温度波由调制光束在材料表面激发,缺陷表面的边界条件为绝热。该分析方法和数值结果可为工程材料结构的传热分析、热波成像和材料内部缺陷评估,以及热物理反问题研究提供参考。     

复合相变材料应用于电子散热的热分析

基于显热容法,建立复合相变材料应用于电子散热的传热模型及相应的数值计算方法,利用Icepak软件进行数值计算,分析了温度场及流场分布。模拟结果与实验测量值相接近,其最大相对误差为8.8%,说明所采用的数值模型及相关简化处理正确。借助热分析方法可以真实地模拟系统的热状况,从而为电子设备的热设计和热管理提供依据。     

金属橡胶热物理性能理论与试验研究

针对金属橡胶材料在高温环境下的热稳定性能和热传导性能, 基于金属橡胶的内部基本组分以及特殊的编织制作工艺, 构建了两种典型排列微元体结构, 并以此描述微元体在三种接触状态下的热膨胀特性, 提出了金属橡胶热膨胀Schapery分析模型, 从理论上解释了金属橡胶热膨胀的产生机理.根据金属橡胶基本组成单元的传热模式, 研究了金属橡胶的传热过程.利用热电比拟法和有限元法, 分析微元体的导热性能, 结合微元体的分布形式, 提出了金属橡胶的导热分析模型.试验测试了不同相对密度金属橡胶的热膨胀和热传导性能, 验证了金属橡胶热膨胀和导热特性分析理论模型的适用性.所得到的金属橡胶的热膨胀和热传导性能理论模型和试验结果, 为金属橡胶材料在高温环境下的热物理特性分析提供了理论基础和计算分析依据. 关键词： 金属橡胶 热膨胀 热传导 金属丝螺旋卷     

二极管端面抽运固体激光器晶体棒与热沉接触热导研究

二极管端面抽运固体激光器中,圆棒晶体采用金属热沉夹持并散热,晶体侧面受到的压力呈非轴对称分布.建立了此状态下晶体棒与热沉间无热界面物质、采用厚度为平均间隙厚度和远大于平均间隙厚度的热界面物质三种情况下接触热导模型.针对前两种模型,采用截断高斯模型和塑性形变模型,讨论了接触热导与装配压力、等效均方根粗糙度的关系.建立了晶体棒与热沉的接触散热模型,对高斯型热耗分布,采用有限元法得到了无热界面物质和采用铟箔作为热界面物质时晶体棒温度的空间分布.结果表明:无热界面物质时,晶体棒与热沉间接触热导随圆心角变化较大,其 关键词： 激光二极管端面抽运固体激光器 热效应 有限元法 接触热导     

One-dimensional thermomechanical model for lateral melting and ignition of a thin sheared viscous layer

We compute the temperature profile near a laterally growing uniformly sheared viscous layer, a melt of the host material. A similarity variable is identified and an analytical solution is found for the temperature field and phase boundary trajectory for the case of uniform sliding. A numerical method for the iterative solution of this non-linear Stefan problem is implemented. In the case of a chemically reactive material with an Arrhenius dependence of the reaction rate on temperature we compute the ignition times. The dependence of the ignition time on the sliding velocity and latent heat of the material is determined numerically.