前缘一体化高温热管结构防热效果的实验研究

为了研究复杂构型前缘一体化高温热管结构在高热流密度状态下的防热效果, 设计了飞行器气动加热轨道, 实现了高温热管低状态完全启动、高状态极限考核。然后采用超声速电弧风洞驻点自由射流结合轨道模拟技术, 模拟乘波体飞行器的前缘疏导构件的气动加热环境, 开展了前缘一体化高温热管结构防热效果研究。实验结果表明, 一体化高温热管结构能够多次使用, 低状态下高温热管的启动时间约为115 s, 在高状态下结构依然有效, 降温系数达到24.5%, 验证了前缘疏导式防热结构的防热效果, 可为未来新型高超声速飞行器非烧蚀热防护系统的设计提供指导。      

热流传感器传热特性电弧风洞实验及数值模拟

高超声速飞行器面临剧烈的气动加热环境, 电弧风洞是飞行器防热材料地面考核筛选的主力设备。热流密度是电弧风洞重要的模拟参数之一, 需要进行准确有效的测量。针对电弧风洞气流环境特点, 开展传统塞式量热计和新型同轴热电偶的对比测热试验, 并采用数值模拟对两种热流传感器的传热特性进行了分析。在电弧风洞平板自由射流试验热流密度分布在0~1 100 kW/m2范围内, 同轴热电偶的热流密度测试试验结果相对塞式量热计偏低10%~15%。数值模拟结果表明, 塞式量热计本身结构热物性参数不匹配会导致热流密度测量数值偏高至少10%, 而同轴热电偶测量数值偏高最大仅为2.19%, 相对塞式量热计具备更高的测量精度。同时, 电弧风洞中不同材质热流密度测试模型使用同轴热电偶进行测热试验时, 需要在同轴热电偶同模型之间增加适当厚度的不锈钢套以满足传感器周围环境的热匹配。      

高导C/C材料在疏导式热防护中的应用探索

针对高超声速飞行器飞行时气动加热严重的问题，为了保证高升阻比外形，提出疏导式热防护结构，建立了一套内置高导C/C材料的疏导式热防护结构原理模型，通过数值模拟和电弧风洞的方法对疏导式热防护结构进行了分析，得到内置高导C/C材料的防热效果．数值模拟结果表明来流马赫数为8时，模型驻点温度下降了500度，柱面最低升高了380度，实现了热流从高温区到低温区的疏导，减弱了端头的热载荷，强化了端头的热防护能力．通过电弧风洞试验可以获得相似的结果，内置普通C/C材料表层抗氧化层出现严重烧蚀，而内置高导C/C材料基本不变，验证了数值模拟方法的准确性以及内置高导C/C材料疏导式热防护结构的有效性．     

疏导式热防护在翼前缘中的应用探索

针对高超声速飞行器飞行时翼前缘存在着严重的气动加热问题,为了保证翼前缘的尖锐外形,提出疏导式热防护结构,利用内置高温热管结构为翼前缘提供热防护。采用数值模拟和电弧风洞试验的方法对翼前缘疏导式结构进行了分析,得到翼前缘内置高温热管具有的防热效果。数值模拟结果表明在一定热环境条件下,翼前缘驻点温度下降了304 K,尾部最低温度升高了130 K,实现了热流从高温区到低温区的疏导,减弱了翼前缘的热载荷,强化了翼前缘的热防护能力。通过电弧风洞试验可以获得相同的热防护结果,并且在一定飞行条件下高温热管可以自适应启动,验证了数值模拟方法的准确性以及翼前缘内置高温热管疏导式热防护结构的可行性。     

大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究

电弧等离子体是通过电极之间击穿放电,产生热电弧,实现对冷态介质加热,目前大功率的电弧等离子体发生器在航空航天领域有重要的应用,是国内外开展飞行器防热材料筛选和考核研究最重要的地面模拟试验设备.本研究基于发展的高焓气流非接触式光谱诊断方法,开展对10 MW量级大功率长分段电弧加热器起弧过程流场特性的定量、定性研究,在线测量等离子气流的辐射光谱,并获得了等离子体气流电子温度和电极烧蚀铜原子摩尔组分浓度的测量结果.研究结果表明:起弧开始阶段,纯氩气通入,等离子体辐射光谱以分立的氩原子谱线为主;过渡阶段,随着空气的通入出现了N₂和N₂+的连续分子谱和Ar、N、O原子谱,等离子体电子温度随之降低;正式运行阶段,纯空气介质运行,辐射光谱以N₂和N₂+连续分子谱和N、O原子谱为主.整个电弧加热器起弧过程伴随持续的电极烧蚀,等离子体辐射光谱中铜原子谱线一直存在.氩气起弧时,等离子体气流电子温度稳定在11 000 K±300 K,显示出电弧加热器稳定的起弧特性.同时,电弧等离子体气流中铜原子摩尔组分浓度在（1~25）×10-6之间周期性变化,显示弧根旋转过程中不规则的电极烧蚀变化.发展的发射光谱诊断方法为研究电弧加热器真空氩气起弧特性提供量化手段,可以为真空-常压氩气起弧试验技术的发展和电极优化提供直接量化依据,为大功率常压叠片电弧加热试验平台发展奠定基础.      

磁流体加速和磁流体加速风洞

高超声速飞行器对于更高飞行速度的追求，给地面风洞设备模拟能力提出了新的要求，磁流体加速成为一个重要突破方向.文章介绍了国内外在磁流体加速基本原理以及磁流体加速技术应用于地面风洞试验方面的研究工作.基于磁流体（magneto-hydro-dynanic，MHD）加速的高超声速风洞设备可以模拟高超声速飞行器的试验条件，复现超高速的飞行环境，是突破超高速飞行器再入研究地面试验模拟能力的关键技术，在航空航天领域具有重要的研究意义和应用前景.