上升段气动加热对飞行中段高速飞行器红外辐射特性影响分析

飞行中段高速飞行器红外辐射特性是对其进行红外探测、识别及跟踪的基础。飞行中段高速飞行器红外辐射与表面温度密切相关,而飞行器表面温度又与上升段气动加热、空间环境热辐射、防热材料结构等有关,特别是上升段气动加热对飞行中段飞行器红外辐射的影响不容忽视。为获得复杂环境背景下高速飞行器在飞行中段的红外辐射,综合考虑上升段气动加热、环境辐射加热、表面辐射散热和结构热传导等主要因素影响,采用气动热工程计算模型、空间辐射加热、一维多层热传导计算方法,建立了高速飞行器红外辐射分析技术,实现了气动加热、环境辐射加热、自身辐射散热、结构热传导等多种主要因素影响下的高速飞行器飞行中段温度场和红外辐射分析。结果表明:上升段的气动加热会对飞行中段的高速飞行器红外辐射产生较大影响;在飞行中段,飞行器在长波8~12μm波段的红外辐射强度明显大于在中波3~5μm波段的红外辐射强度,选择8~12μm波段更有利于对飞行中段高速飞行器的探测。

电弧加热器试验条件下铁质小行星材料烧蚀机理分析

研究铁质小行星进入地球大气层的烧蚀机理,对评估小行星撞击地球危害具有重要意义。基于试验现象建立了铁质小行星材料烧蚀的熔融烧蚀和熔融层剪切烧蚀模型,采用具有移动边界的气动热、烧蚀与内部热传导耦合求解技术对铁陨石模型烧蚀试验状态进行了计算。计算分析表明建立的剪切烧蚀模型能够得到与试验在定性上一致的驻点烧蚀速率变化规律。若不考虑液态层流失,计算得到的规律与试验相反。计算分析结果显示表面蒸发速率与熔融层质量流失速率相比是小量,表明铁质小行星烧蚀以熔融层剪切流失为主导。可为小行星撞击地球防御提供参考。

气动加热对高超声速飞行器激光毁伤效应影响

通过采用工程计算方法求解高超声速飞行器碳-碳复合材料分别在气动热、激光单独作用以及气动热/激光耦合作用下的热化学烧蚀。计算分析表明:激光单独作用下,碳-碳复合材料的烧蚀速率较小;随激光能量的增加,碳-碳复合材料的烧蚀速率增加;气动加热条件下激光对高超声速飞行器碳-碳复合材料的烧蚀毁伤效应会明显增强;沿弹道的气动加热累积效应对碳-碳复合材料气动热/激光耦合烧蚀作用不明显。

金属结构航天器陨落过程三维瞬态传热有限元算法研究

构建金属桁架结构航天器陨落再入气动热环境有限元传热模型,是准确预测在轨服役期满大型航天器陨落再入解体过程温度分布的关键。本文采用四节点四面体单元对空间进行离散,依据泛函理论,将传热控制方程离散为代数方程组;利用有限单元法总体合成得到具有对称正定、高度稀疏和非0元素分布的规则性刚度矩阵,发展一维变带宽压缩存贮技术,有效解决大型稀疏矩阵的数据存贮问题;为有效抑制求解过程出现的温度在时间和空间上的振荡问题,发展集中热容矩阵系数处理方法,将热容矩阵的同行或同列元素相加代替对角线元素,使非对角线元素化为0,构造求解三维瞬态温度场的两点向后差分格式、Crank-Nicolson格式和Galerkin格式。通过对正方体瞬态传热计算验证分析,在相同条件下,采用以上三种格式均可获得一致稳定的温度解,并得到与现有ANSYS有限元软件较为吻合的计算结果,验证了所建立三维瞬态传热有限元计算模型的准确可靠性。在此基础上,对铝合金低轨航天器薄壳结构进行了传热计算,给出了类天宫飞行器两舱体陨落飞行107.5 km～90 km不同高度的瞬态温度分布,为这类寿命末期航天器陨落再入解体预报提供理论支撑与可计算模型。

类HTV-2高超声速滑翔飞行器的本体光辐射特性分析

第二代"猎鹰"高超声速技术飞行器(Falcon Hypersonic Technology Vehicle 2,HTV-2)长时间在大气层中飞行时,气动热是导致本体光辐射特性的主要原因。气动热预测和复杂结构传热温度求解是本体光辐射特性研究的关键。基于类HTV-2高超声速滑翔飞行器的结构以及飞行弹道特点,建立了适用于高超声速滑翔飞行器的气动热、三维有限元传热和本体光辐射耦合计算方法。在算法验证的基础上,通过计算获得了类HTV-2高超声速滑翔飞行器沿假定弹道飞行的本体光辐射特性。结果表明,红外探测器从地面70°方向观测的辐射强度大于从天上-70°方向观测的辐射强度;中波3~5μm光辐射强度明显大于长波8~12μm和短波0.4~0.7μm,因此选择3~5μm波段更有利于对类HTV-2高超声速滑翔飞行器进行探测。

电弧加热器试验条件下端头烧蚀外形计算

对电弧加热器试验条件下端头的烧蚀外形进行了仿真计算 ,考察了碳 碳端头烧蚀外形随来流条件的变化规律 。

大型航天器离轨再入气动融合结构变形失效解体落区数值预报与应用

准确可靠求解大型航天器服役期满离轨再入跨流域气动环境与金属(合金)桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器失联无控或受控再入坠毁飞行航迹落区数值预报软件研制的关键基础。在求解Boltzmann模型方程的气体动理论统一算法(GKUA)基础上,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,引入能量模式配分函数和非弹性碰撞松弛数,确立了描述复杂飞行器跨流域高超声速流动非平衡输运现象统一Boltzmann模型方程,构造了直接捕捉Boltzmann模型速度分布函数演化更新数值格式,提出了离散速度空间区域分解大规模并行计算策略与高效数据通信模型,建立了稳定运行数万CPU核求解大型航天器离轨再入跨流域气动力/热环境高性能并行算法。针对无控航天器非常规再入问题,提出瞬态热传导方程与材料热弹性动力学方程耦合数学模型,建立了强气动力热环境致结构变形热力响应有限元算法,发展了适于高超声速再入气动环境与结构热力耦合计算技术。通过对竖直平板、中空球体、类天宫飞行器高超声速流场计算与结构响应变形非线性力学行为一体化计算验证,证实统一算法大规模并行计算策略与热力响应变形有限元算法精度可靠性,建立了服役期满大型航天器离轨再入跨流域气动环境与结构热力耦合响应变形失效/解体飞行航迹一体化模拟平台,开展了该平台在类天舟一号货运飞船受控再入、天宫一号目标飞行器无控陨落、天宫二号空间实验室受控再入解体落区数值预报中的应用研究。

非常规再入/进入问题探讨

文章讨论了非常规再入/进入问题。相对于航天器完成着陆回收或弹道导弹攻击等既定功能的情况,非常规再入/进入特指结束工作后的各级助推器或运载器残骸、失效卫星或其它在轨运行人造飞行物坠落等非功能性的再入/进入。当再入/进入稠密大气环境时,对非常规再入/进入问题的分析涉及飞行动力学和气动力、气动热的综合应用;考虑到这些非常规再入/进入飞行体的复杂外形一般不是设计用于在大气中飞行的,故当其以极高速度穿越大气层时,对其损毁及飞行情况的研究将带来技术分析上的复杂性。文章针对非常规再入/进入问题,给出了一种弹道—气动力—气动热综合计算分析的技术途径,并用算例说明了方法的有效性。最后,提出了解决该类问题的思路和方向。

Newton型迭代法在求解烧蚀边界条件控制方程中的应用

对于采用烧蚀手段进行防热的高超声速飞行器而言,利用有限速率烧蚀条件下的防热层热响应与流场耦合计算,则可以更加准确地预测包括气体烧蚀产物在内的化学非平衡流场特性。基于稳态能量平衡假设(SSEB),本文对有限速率烧蚀边界数值处理方法进行了初步探索。采用Newton迭代法对表面质量和能量平衡方程进行迭代时,为了避免Jacobi矩阵求逆困难,发展了一种基于对角化Jacobi矩阵的Newton型迭代法。以碳基石墨防热材料有限速率烧蚀边界为例,通过与相关文献的壁面温度、热流以及流场不同组分质量分数等计算结果的比较,表明了这种Newton型迭代法在数值求解有限速率烧蚀边界方面的有效性。

带芯子的碳碳端头烧蚀外形计算

对电弧加热器试验条件下端头的烧蚀外形进行了数值仿真 ,考察了碳 碳端头烧蚀外形随来流条件的变化规律 ,重点研究了将碳 -碳端头体轴附近材料换成由另一种烧蚀速度较快的材料制成的芯子后的匹配烧蚀问题 。

探测器安装结构对航天器壁温测量的影响分析

针对飞行试验中飞行器薄壁壳体测量温度与预测温度存在较大差异这一问题,采用气动热工程算法结合热传导计算方法,分析了测温探测器安装结构对测点温度的影响,并提出了改进措施。结果表明:对于薄壁结构飞行器在上升段有气动加热、其表面处于升温过程或热量由壳体表面向内部传导时,测温探测器安装结构对测点温度基本无影响。但当飞行器处于飞行中段,在辐射散热、表面温度低于壳体内部温度造成热量由壳体内部向外表面传导时,测点温度受原探测器安装结构影响明显,测量温度明显低于不装探测器时的预测温度;而采用本文提出的探测器安装方案,可明显降低对测点温度的影响,在飞行器的测点位置最大影响小于0.5K。

航天器再入陨落解体模型及分析预报策略研究

针对非常规再入问题,以航天器再入陨落解体分析预报为研究内容,对其物形架构构建了系统/子系统、部件、碎片/微粒的三层级模型,用于涵盖航天器解体研究对象的结构组成及碎片的各种几何特征,这些几何特征能够反映研究对象的气动力/热及飞行运动特性,在不同解体情况下具有普遍适应性。针对航天器再入陨落解体分析预报的技术途径,提出了基于条件边界的参数统计方法的基本策略,给出了航天器再入陨落时的气动力/热、飞行运动、解体、残骸碎片存活可能性、落区及地面风险等工程问题的评估解决策略。最后通过据此开发的软件系统进行了一例大型航天器再入陨落解体过程分析预报,结果表明了模型及方法的适用性。

红外卫星对通用高超滑翔导弹的可探测性分析

随着临近空间高超声速技术的迅猛发展和临近空间高超声速导弹的装备使用,新的军事威胁已成为现实。由于临近空间高超声速导弹飞行弹道低且具有机动飞行的特点,需要对它进行实时探测跟踪才有可能对其飞行弹道进行预测。受地球曲率等因素的影响,地面雷达系统对临近空间高超声速导弹的探测距离有限,且组网探测对雷达数量需求庞大,因此卫星探测是一种较好的手段。对美国当前大力发展的海陆军通用型高超声速滑翔体(Common Hypersonic Glide Body,C-HGB)的红外辐射特性进行了初步分析,并结合高轨红外预警卫星的探测能力,初步分析了预警卫星对处于滑翔飞行阶段的C-HGB的可探测性。结果表明,当前的高轨红外预警卫星难以实现对处于滑翔段的C-HGB的探测,所以需要改进卫星红外探测系统或者组建低轨卫星星座。

临近空间高超声速巡航飞行器红外特征

针对现有天基红外预警卫星对临近空间高超声速巡航飞行器的可探测性分析和未来天基红外预警卫星规划建设对临近空间高超声速巡航飞行器的光学特征数据需求,采用高超声速空气动力学、燃烧学、传热学、气体辐射理论等相结合的计算分析方法,研究类X-51A高超声速巡航飞行器在典型飞行状态下的流场参数、本体温度、红外辐射光谱及红外辐射亮度和红外辐射强度。结果表明:类X-51A高超声速巡航飞行器辐射特征受飞行时间及弹道影响,本体红外辐射受气动加热影响明显,以航空煤油为燃料的飞行器喷焰红外辐射以CO_(2)、H_(2)O、CO的1.52 μm、2.68 μm、4.39 μm辐射带特征最为显著;在包含CO_(2)、H_(2)O、CO分子强特征辐射谱的窄带总辐射中,喷焰辐射是主要贡献,而在非喷焰特征辐射谱带内的总辐射中,飞行器本体辐射占主导。

天宫一号再入回放

北京时间2018年4月2日上午8时15分左右，天宫一号再入※大气层多次解体分解，碎片残骸坠落到南太平洋海域，其寿命走到了终点。天宫一号自20116年9月发射入轨、2013年6月与其对接的神舟十号飞船返回之后，天宫一号就已完成了主要使命。本着“充分利用、挖掘潜力”的原则，科研团队精心建模设计、运营维护、严密实施监控，使之在超期服役两年半期间。

随机结构复合材料等效导热系数的理论预测

基于随机生成结构法创建了纤维随机排布的复合材料纤维体,采用链表数据结构实现了一种物理直观、不依赖网格划分的纤维体等效导热系数理论预测方法。将该方法用于酚醛浸渍碳烧蚀材料,研究了影响等效导热系数的相关因素。结论表明:复合材料的等效导热系数并非材料固有属性,纤维长度与试件尺度相近时,试件尺度会影响材料导热系数;单位空间的纤维根数与等效导热系数呈非线性正相关关系;但等效导热系数并非体积分数的单变量函数,还取决于纤维的连通性,有效长度愈小,则表明连通性愈好,等效导热系数愈大。

血管内介入治疗缺血性脑血管病患者的临床疗效观察

研究血管内介入治疗在缺血性脑血管病(Ischemic Cerebrovascular Disease, ICD)中的临床效果。方法:于2019年6月至2020年6月选取ICD患者86例,随机分组,对照组接受常规药物治疗,观察组在药物治疗的同时接受血管内介入治疗,每组43例。对比两组疗效。结果:治疗后观察组NIHSS评分小于对照组,血管狭窄程度低于对照组,并发症率小于对照组,P<0.05。结论:对于ICD,血管内介入是一种有助于患者取得积极疗效和预后的可靠治疗方式。

类HTV-2飞行器光电特性的分析评估技术

类HTV-2高超声速飞行器在大气层中飞行时间长、速度快、机动性强,高温热化学非平衡流场对目标光辐射特性和雷达散射特性产生严重影响。通过发展和完善类HTV-2飞行器光辐射特性分析评估技术、雷达散射特性分析评估技术和地面与实际飞行试验数据分析评估技术,研制了具有自主知识产权的面向类HTV-2飞行器光电特性分析评估软件。以探测距离为分析评估函数,对高超声速目标光电特性进行了评估。提出基于尾迹雷达散射截面(RCS)特性的高超声速目标超视距探测方法和消除高温热化学非平衡流场影响的紫外制导方法,以提高对高超声速飞行器的探测和制导能力。相关结果可以为类HTV-2飞行器光电特性研究提供技术支撑。