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。      

防热材料起泡现象的物理建模和计算方法研究

一些烧蚀试验发现特定配方的有机涂层防热材料在受到加热时,在有机物热解时除产生通常的炭化层外,在热解区附近还会出现较严重的起泡物理现象,在防热层内部区域形成很明显的较大泡沫,使防热层厚度增加,改变了防热材料的传热性能和物理模型,减缓了热量向内部结构的传递,降低内部结构的温升,对防热结构设计非常有利.本文细致分析了外部加热时有机涂层的热解烧蚀过程,初步建立防热材料起泡现象的物理模型和控制方程,数值模拟了起泡现象对内部温度场结果的具体影响,并与试验结果进行了比较.     

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...     

飞船返回舱气动热及烧蚀防热的不确定性初步研究

由于飞船返回舱的气动加热和热化学烧蚀是非常复杂的变化过程,许多参数很难测定,并且与材料制造工艺水平密切相关,目前使用的数据存在较大散布,需要研究这些不确定因素对防热效果的具体影响。本文数值模拟了炭化材料的烧蚀热响应过程,研究了气动加热及材料参数的不确定性对计算结果的影响,在对计算结果进行分析的基础上,定量地研究了这些不确定量对烧蚀防热影响大小,说明了防热材料的各物理量对烧蚀防热影响重要程度完全不同,应该对几个关键参数进行深入细致的研究。     

窗口区域烧蚀瞬态热响应耦合计算与温升规律研究

本文针对航天器窗口区域局部防热结构，进行了数值计算和研究，成功地解决了材料热解、烧蚀以及复杂形状和边界传热的耦合计算问题。本文还针对防热结构均匀加热与表面变化加热量两种不同的加热条件；计算分析了有关温升规律的差别及其物理原因，为防热设计提供参考。     

炭化烧蚀材料热解膨胀和线膨胀对内部温度场影响研究

本文根据炭化烧蚀材料的防热机理,认为防热材料表面化学烧蚀后退、热解膨胀和内部温度升高引起线膨胀是造成防热层厚度变化的因素,国内外学者主要研究了表面化学烧蚀后退对飞行器外形变化和温度场的影响,而对于后两者的具体影响却少有研究。本文数值模拟了高硅氧-酚醛炭化材料的烧蚀热响应过程,分析和解释了计算结果,说明了防热材料的线膨胀和热解膨胀对外形和温度场有较大的影响。     

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.     

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。     

防热环对空气舵舵轴流动及气动加热影响

空气舵缝隙内的舵轴是高速飞行器受热最严酷的部位之一。为减小舵轴的防热压力, 通过在舵轴周围设计防热环, 将舵轴的高热流区转移到防热环, 大幅减小舵轴的气动热载荷, 从而有效实现舵轴承力功能和防热环承热功能的分离。通过数值计算和试验研究分析了舵轴防热环的降热效果与机理, 获得以下结论: 通过有无防热环方案的仿真和试验对比, 表明了增加防热环能够明显降低舵轴热环境; 通过对舵缝隙内外流动的细致分析, 给出了舵轴防热环通过转移高热流区降低舵轴热流的降热机理; 通过不同舵偏和不同流态有无防热环方案数值计算的对比表明了防热环对舵轴热流的降低作用具有广泛适用性。      

碳/碳化硅复合材料静止环境下氧化行为模拟

碳/碳化硅(C/SiC)复合材料是应用于临近空间高超声速飞行器热防护的一种新型防热材料.国内外通过性能测试较多地研究了材料不同制备工艺对抗烧蚀性的影响,提出的抗烧蚀分析理论模型均基于液态氧化膜.而近期开展的C/SiC复合材料管式炉加热实验和试样微观形貌电镜表征显示:常压下,当温度低于1696 K时,C/SiC复合材料氧...     

单晶金刚石微杯形谐振子的激光刻蚀制造方法

基于激光刻蚀技术,提出了一种新型单晶金刚石微杯形谐振子的三维制造方法。由于高弹性模量、低热弹性阻尼以及较大的声波传递速度等优异的性质,单晶金刚石是一种理想的谐振子加工材料,但是金刚石硬度大且化学性能稳定,难以采用传统的加工方法成形加工。激光刻蚀因精度高,加工结构对称性好以及破损率低等特点,是一种较好的单晶金刚石加工方法。采用紫外激光加工机,研究了不同激光参数对单晶金刚石刻蚀质量的影响,通过合理设计微杯形谐振结构,规划激光刻蚀加工的轨迹,采用优化后激光刻蚀参数,实现了结构对称性较好的微杯形谐振子的加工,有望应用于高性能微杯形谐振陀螺。     

疏导式结构在头锥热防护中的应用

针对高超声速飞行器工作时头锥恶劣的热环境,为了保证飞行器头锥的尖锐外形, 提出疏导式热防护结构,利用内置高导热碳材料结构为飞行器头锥提供热防护. 采用流固耦合方法对头锥疏导式防热结构进行了分析,验证了头锥内置高导热碳材料具有较好防热效果, 其中来流马赫数(Ma)为9时头锥前缘壁面最高温度下降了21.9%,尾部最低温度升高了15.2%, 实现了热流由高温区向低温区的转移,削弱了头锥的热载荷,强化了头锥的热防护能力. 本文对外蒙皮结构参数、材料参数以及内部高导热碳材料导热率对头锥热防护性能的影响进行了分析, 其中头锥最高温度随着蒙皮材料导热系数的增加而降低到一个稳定值; 随着蒙皮材料表面黑度的增加而降低;随着蒙皮厚度的增加而升高;随着高导热碳材料导热系数的 增加而呈抛物线下降.     

分形理论在碳化材料三维烧蚀热防护计算中的应用

烧蚀过程中的传热传质对烧蚀防护工程具有重要意义,准确的温度评估可以为高超声速飞行器的热防护结构和烧蚀材料的设计提供有效的支持.由于材料烧蚀形成的碳化物是一种典型的多孔介质,其结构具有自相似性,可以用分形理论来描述.在烧蚀计算中引入了分形渗透率张量模型进行计算.针对烧蚀过程中热解气体在碳化层中的扩散方程、温度、材料等参数...     

内嵌定向高导热层疏导式结构热防护机理分析

针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境, 提出内嵌定向高导热层的疏导式热防护系统. 运用数值方法分析了特定条件下内嵌定向高导热层的疏导式系统的防热效果, 外壁面最高温度下降了9.1%, 内壁面最高温度下降了31.5%, 高温区和低温区都被封闭在外层区域, 内层温度更加均匀, 实现了热流由高温区向低温区的转移, 削弱了高温区的热载荷, 强化了整体结构的热防护能力. 研究表明, 随着气动热流密度比与辐射散热面积比的增大, 疏导结构的冷却效果增强. 本文还对疏导防热系统的结构参数和材料参数对冷却效果的影响进行了分析, 为结构的设计和材料的选取提供一定的依据.     

纤维增强复合材料激光烧蚀效应的数值模拟

考虑材料的热解、氧化、相变及辐射和内外对流换热等物理过程,给出了激光烧蚀纤维增强复合材料的物理模型及数学模型。以碳纤维/环氧树脂复合材料为例,编程计算了材料的激光烧蚀过程,计算结果与实验结果符合得较好。计算结果表明：考虑复合材料的内对流时得到的结果更准确;较强功率密度激光辐照时,氧化对烧蚀的贡献可以忽略;功率密度一定时,烧蚀质量随时间近似为线性变化,功率密度越高,烧蚀效率越高。以辐照结束时背表面温度及烧蚀质量为目标物理量,对烧蚀过程做了参数敏感性分析,结果表明：热容及热导率对背表面温度的影响较大;树脂含量对烧蚀质量的影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降;激光功率密度超过1 kW/cm2时,辐射系数对烧蚀质量影响较大,但其相对敏感度随激光功率密度增加而下降。     

Efficiency of hydrodynamic energy transfer to an arbitrarily thick flat layer of material during pulsed ablation

We obtained a general analytical solution of the problem of hydrodynamic energy transfer to a flat layer of material with an arbitrary initial thickness when ablation—the evaporation of material and the formation of a pressure gradient under the action of an external pulsed energy source—takes place at one of its surfaces. The solution was obtained in the form of a dependence of the fraction of the source energy transferred to the nonevaporated part of the layer on the intensity and duration of the energy source as well as on the initial layer thickness and density. The solution includes, as limiting cases, the previously obtained solutions for the hydrodynamic transfer coefficient during the ablation acceleration of a thin layer, through which the travel time of a shock or acoustic wave is much shorter than the duration of the energy source, and for the ablation loading efficiency when a shock wave propagates through a semiinfinite layer.