火星探测热防护系统传感测量技术进展与启示

当前对于火星进入、下降与着陆过程(entry,descent and landing,EDL)气动环境认知不足,任务风险高。在EDL系统上搭载传感仪器进行飞行数据测量,重建火星大气和气动热环境,并开展充分全面的地面验证是验证科学设计工具和降低未来火星EDL任务风险的有效途径,对任务成功与否至关重要。本文首先回顾了人类火星探测任务的发展历程,明确设置热防护传感系统的必要性;然后系统总结了美国两次火星着陆任务MSL、Mars 2020,欧洲ExoMars2016任务和中国天问一号任务所搭载的EDL热防护传感系统的体系构成,以及为满足任务要求,如何进行仪器选择与布局;归纳了4次任务飞行数据的重建方法、关键技术和结果结论;最后给出了EDL热防护传感系统总结的经验、面临的技术难题和未来发展建议。

一体化热防护技术现状和发展趋势

防隔热/承载一体化热防护的结构承载功能使其比传统热防护具有更高的结构效率。近年来,已经发展了波纹夹芯一体化热防护及改进方案、刚性隔热夹芯一体化热防护、多层级一体化热防护等多种一体化热防护概念。首先介绍了各方案的结构特征,分析了各方案的热短路效应和结构承载性能。阐述了一体化热防护等效性能分析与热力耦合响应高效分析方法。介绍了热力耦合约束下一体化热防护的结构尺寸优化与材料优选方法。论述了一体化热防护非确定性分析与设计方面的研究进展。在此基础上,总结了一体化热防护发展的特点和不足,探讨了一体化热防护的发展方向。

高温光纤传感器在热结构温度和应变测试中的应用(英文)

研究了石英光纤传感器在实际高温环境中的应用技术。通过不同粘接剂的选择和工艺研究,试验确定了粘接剂及粘接工艺,提供了一种针对于超高温陶瓷结构的700℃高温连接方法,完成了超高温陶瓷热结构700℃的试验考核,同时测试了不同位置、不同温度下的传感器反射信号。试验结果显示,在高温环境下,结构热应变引起的波长变化与结构应变呈近似的线性关系,应变灵敏系数为0.001 26 nm/με。利用同一传感器实现了高温环境下结构温度和应变的同时监测,为高温热结构健康监测提供了一种新方法。

冷烧结技术在月球砖制备中的应用潜力

烧结月球土壤制备月球砖,是建造月球基地有效的原位资源利用方法。然而,传统高温烧结存在高能耗的弊端,不利于月面初期建造。冷烧结是超低温致密化陶瓷的工艺,为克服上述问题提供了一种解决策略。本文采用120℃、100 MPa和15%10 mol/L氢氧化钠和90 min的冷烧结工艺,制备出月海和高地两种类型的模拟月壤块体材料,样品的密度分别达到2.33 g/cm^(3)和2.31 g/cm^(3)。在模拟月面环境下,样品的强度保持率分别达到94%和95%,热导率和热膨胀系数均低于地球混凝土,表明样品在月面极端环境中具有较高的可靠性。此外,冷烧结设备的能耗仅为0.79 kW·h,与传统高温烧结工艺相比节省了90.7%的电能。因此,冷烧结工艺在节能制造高强度和耐久性的月面建筑材料领域具有广阔的应用前景。

多孔C/C材料发汗冷却实验研究

发汗冷却是解决高超声速飞行器关键部位热防护问题的有效方法,文章开展了以未完全致密化C/C材料作为多孔介质、水作为冷却剂的发汗冷却实验研究。设计并制备了发汗冷却平头实验模型,分别在热流密度1.1 MW/m2和1.45 MW/m2的氧-丙烷热结构考核条件下,通过测量模型内外壁温度响应,评估其发汗冷却速率。实验结果表明,冷却剂的引入极大地降低了模型内外壁温度,外壁面冷却速率高达8.8℃/s以上,未出现明显烧蚀现象。内壁面温度均保持在水沸点100℃以下,达到了可重复使用、耐长时加热的热防护要求,进一步表明了发汗冷却的巨大应用潜力。

多向编织炭/炭的复合材料烧蚀性能

利用以星型交流电弧加热器为核心的地面模拟系统对三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀行为进行了考核,通过对材料烧蚀表面温度、形貌的在线实时监测及烧蚀后微观结构的观察,研究了该类材料的烧蚀行为.研究发现:三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀是热化学烧蚀和机械剥蚀的综合作用,构件边缘区域以机械剥蚀为主,中心区域表现为热化学烧蚀和机械剥蚀相互耦合,没有明确的分界;基体炭与炭纤维的抗烧蚀性能相差较大,炭纤维的抗热化学烧蚀性能、抗机械剥蚀性能明显高于基体炭,烧蚀后试件烧蚀表面仅剩下凸起的纤维束骨架结构;三维5D编织炭/炭复合材料的烧蚀性能表现出较强的各向异性,在轴向体现为单根纤维失去周围基体支持而发生剥离,抗烧蚀性能相比较好;在径向体现为烧蚀表面脱层,抗烧蚀性能相比较差.

粉末的爆炸压实工艺

为指导粉末爆炸压实工艺,综述了影响粉末爆炸压实的各种工艺参数,阐述了爆炸装置、装粉套筒、原始粉末、炸药以及其他因素的选择原则,分析了这些工艺因素对粉末爆炸成型质量的影响,提出了粉末爆炸压实中工艺参数优化的复杂性,并展望了爆炸压实工艺在粉末成型中的应用前景.

烧蚀防热材料在线后退测试技术研究进展

介绍了基于熔点法、辐射法、电阻法、声波法以及摄影法等测试技术的原理和进展,从嵌入式和非嵌入式两类测试方案展开分析了烧蚀后退测试技术发展的特点和不足。当前,烧蚀后退在线测试仍然以嵌入式为主;综合来看,电阻法是实现在线后退测试的最佳方案;非嵌入式方案虽然离飞行测试还有一段距离,但是其在地面试验中作为验证技术已逐渐成熟。更加频繁的星际进入任务必将全方位提升在线后退测试技术。

石棉/酚醛复合材料高温力学性能研究

作为理想的绝热材料,石棉/酚醛复合材料在高温环境下的力学性能至关重要。本文测试了常温、200℃和400℃下石棉/酚醛复合材料的拉伸和压缩性能。结果表明:随着温度的升高,石棉/酚醛复合材料的拉伸和压缩强度下降明显,碳化率影响材料强度值;材料在拉伸和压缩载荷作用下应力-应变曲线表现出明显的非线性特征;材料的拉伸、压缩破坏模式均为脆性破坏,温度对破坏模式的影响不明显。

“临近空间服役环境及其与飞行器材料的耦合研究”专题序言

临近空间飞行器包括大尺度的低速/亚声速浮空器和高升力、低阻力气动外形的超声速/高超声速飞行器,其发展可满足国家军事战略装备的需求,也起到带动国家民用科技强劲发展的作用。在温度、压力、太阳辐照和臭氧含量等多种临近空间服役环境因素条件下,临近空间飞行器表现出复杂的结构/材料与环境耦合效应,对飞行器及其分系统长时间工作提出了新的挑战。

散斑错位干涉技术在复合材料缺陷检测中的应用

介绍了散斑错位干涉技术的基本原理、特点及其应用情况,并对含裂纹和脱层两种典型缺陷的碳/环氧复合材料层合板进行检测,得到了定性的缺陷检测结果。

双相颗粒混合增韧ZrB_2陶瓷复合材料的研究

将增韧相与ZrB2陶瓷基体按配比混料、热压,制备了双相颗粒混合增韧ZrB2陶瓷复合材料,研究了其密度、硬度、力学性能、耐烧蚀性能以及显微组织.结果表明,采用混料热压法能制备99.5%理论密度的ZrB2复合材料;显微硬度为800HV,室温抗压强度为1.397GPa,相对压缩率为21.8%.随着温度升高,强度和压缩率均急剧下降;然而,到1100℃时抗压强度仍高达649MPa,相对压缩率为7.6%.该复合材料在等离子电弧加热器上烧蚀6s后,试样表面温升达2800℃,烧蚀后晶粒长大,部分韧化相熔化飞出,留下孔洞.在氧乙炔焰上烧蚀30s后,试样表面温升达到2000℃,烧蚀后表面无裂纹,表面形成一层氧化膜,晶粒略有长大.

高超声速飞行器新型热防护机制研究进展

从气动热载荷的来源出发,介绍了基于流动控制、光辐射操控、原子重组、电子耗散等物理机制的新型热防护机制的原理和进展。分别从环境和材料两方面实现对流热、化学热和辐射热的主动调控,进一步分析了高超声速飞行器新型热防护机制发展的特点和不足,对该领域未来研究的重点方向提出了建议。

金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热分析

采用能量平衡方程和两热流密度近似法建立了金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热的数学模型,并利用测量多层隔热材料单元的有效导热系数的实验和遗传算法对纤维隔热材料的辐射衰减系数和隔热屏表面辐射发射系数这两个热物参数进行了优化,最后用实验测得的多层隔热材料的有效导热系数验证了采用优化后参数的多层隔热材料的稳态传热模型的正确性。

超高温材料的研究进展

先进的超高温材料具有独特的综合性能,能够适应高超音速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境。综述了难熔金属、陶瓷基复合材料及炭-炭复合材料等超高温材料的研究和应用现状,分析了目前存在的问题,提出了今后的研究方向。

防热复合材料的烧蚀机理与模型研究

烧蚀材料在高温环境中因物理、化学和力学因素造成质量损失 ,影响其性能。建立相应的热化学和热力学烧蚀模型 ,分析其传热特性和力学性能的演化规律 ,建立材料的热毁损判据 ,是复合材料防热结构设计所面临的重要问题。本文综述了近年来文献中对炭基复合材料烧蚀机理的研究 。

固相反应法制备透明多晶YAG陶瓷

采用高纯α-Al2O3和Y2O3作为原料并由固相反应法合成了钇铝石榴石(yttriumaluminumgarnet,YAG)透明多晶陶瓷。α-Al2O3和Y2O3的摩尔比为5:3,并添加0.5%(质量分数)正硅酸乙脂为烧结助剂的混合粉体经球磨后,在1400℃空气中煅烧,经成形并在1750℃真空烧结4h制备得到透明YAG陶瓷。1850℃真空烧结4h的YAG陶瓷晶粒粗大,晶界宽化,晶界处有共晶相YAlO3相和α-Al2O3相存在。

力学研究中"大数据"的启示、应用与挑战

大数据在全世界发展迅猛,应用成效显著.大数据独特的思维和方法,为科学研究与探索提供了全新的范式.力学研究中,高时空分辨率、多参数同步观测与高精度、大规模模拟手段的发展,为力学大数据的发展提供了契机,大数据、机器智能方法的应用正呈现快速上升趋势.本文旨在分析大数据思维方法在力学研究中的应用,及其启示与挑战.首先从大数据资源、大数据科学及大数据技术3个层面分析了大数据的内涵及研究态势,概括了国内外政府及组织机构的大数据发展规划.而后对比分析了力学思维方法与大数据思维方法的特点,指出两者的本质区别在于数据使用方式的不同而带来的范式差异:大数据采用数据驱动模型替代力学中的偏微分方程组以描述问题,在复杂系统的分析、预测中优势显著.回顾了大数据方法在材料性能预测、材料本构建模、湍流建模、结构健康监测及试验力学等方面的最新研究进展,以及动态数据驱动与数字孪生等大数据驱动的建模模拟新范式.总结了大数据在力学研究中应用的3种方式,即驱动已有模型改进,挖掘复杂隐含的规律,以及替代已有的理论方法等.最后,建议以力学研究为主体和牵引,大数据与力学双驱动,推动大数据与力学交叉形成理论与方法突破、及学科发展新方向.

织物结构对复合材料力学性能影响的试验研究

为探讨不同结构形式织物对复合材料力学性能的影响及其损伤破坏机制之间的差异,通过宏观拉压试验,研究了经编及平纹碳纤维织物增强树脂基复合材料的拉伸及压缩力学性能,并利用声发射对试验过程进行实时监测,对破坏后的断口进行显微镜观察分析,分别给出了两种材料的拉伸和压缩破坏机制.研究结果表明:织物结构形式对复合材料的力学性能有较大影响,与经编织物复合材料相比,平纹织物复合材料的拉伸、压缩强度均较低,且其拉伸、压缩破坏试样的断口相对齐平,分层现象不明显;根据声发射监测结果可以判定两种复合材料损伤过程中的损伤类型,与经编织物相比,平纹织物复合材料拉/压过程中的声发射电压信号相对稳定且整体强度较低.