关于高超声速飞行器新热障的认知与探讨

未来高超声速飞行器向更远的航程、更快的速度等航空航天技术融合的方向发展,不断突破飞行速度边界、巡弋空间边界。飞行速度不断提高,热载荷越来越严酷,同时防热结构多功能一体化设计的需求以及结构质量强约束等新的特点对热防护提出了全新的要求和挑战。针对这些全新的挑战,热防护呈现出新的特点和需求,防热需求发生重大变化,已有技术和现有设计手段存在明显不足,对相关科学问题的认知存在明显缺失,亟待探索新的技术途径。基于此,提出新热障的概念,分析了长时间加热、非烧蚀热防护、精细化热环境分析等方面的研究现状,指出了新热障问题的具体内涵和重要发展方向,回顾了热防护技术正在探索的新方向和新方法,包括低烧蚀/非烧蚀技术、系统基因组材料设计方法、疏导式创新热防护技术等,认为解决新热障是一个突破现有热防护技术极限的科学技术问题,需要通过多途径联合、多方法综合、多学科交叉突破这一高超声速飞行器热防护瓶颈问题,从精细化热环境预示与热环境控制、多尺度热防护材料性能预示、全新的防隔热材料设计途径、创新的热结构等方面入手,探索飞行器新热障问题的创新解决方案,并对相关技术研究进展进行了总结。

碳化硅材料被动氧化机理及转捩温度分析

对SiC材料的抗氧化性能进行了试验,研究了该材料的氧化机制以及由被动氧化至主动氧化的转捩温度。结果表明,SiC材料在一定的氧分压环境中,表面温度低于转捩温度时,会在表面形成SiO2薄膜,薄膜厚度和时间的平方根成正比。表面温度高于转捩温度时材料发生主动氧化,材料表面发生烧蚀。

氮化硅的氧化机制研究

研究了氮化硅的氧化机制以及被动氧化至主动氧化的转捩温度,并结合试验结果做了分析。结果表明氮化硅在高温下极易炸裂,在被动氧化机制下生成氮气和SiO2薄膜,转捩温度和碳化硅材料基本一致。

高超声速再入飞行器头部辐射加热特性研究

高超声速再入飞行器的热环境特性是热防护设计的重要基础。它主要包括辐射加热和对流加热,一般情况辐射加热较小可以忽略,但部分再入飞行器在低空还具有极高的速度,辐射加热不能忽略。本文针对高超声速再入飞行器驻点的辐射加热特性开展了研究,采用高温空气辐射加热的四光谱带模型,同时计算方法中考虑了非平衡辐射加热及其"截断效应"。计算结果表明,在低空高速再入阶段,辐射加热比较明显,热防护设计需要考虑辐射加热。辐射加热主要由可见连续光谱辐射构成,红外线谱和紫外线谱的辐射加热也比较明显,紫外连续谱辐射以及非平衡辐射效应均不明显。辐射加热沿球头驻点至球头外边缘逐渐减小,影响辐射加热的主要因素有头部半径、飞行高度和飞行速度。

地球大气再入返回器辐射加热计算方法研究

针对地球大气再入返回器的辐射加热计算方法开展了研究,采用NASA的高温空气辐射加热预测软件QRAD中用到的四光谱带模型,同时考虑了辐射散热效应及非平衡辐射加热。对于返回舱大底的辐射加热分布特性,采用了基于牛顿压力分布的计算方法。计算结果表明,发展的高超声速再入体辐射加热预测方法结果可靠。

基于积分法的热流后处理方法

傅立叶定律统计热流时的扰动放大机制和数值计算格式的数值耗散是壁面热流网格依赖性强的主要原因,扰动放大机制同时也是热流收敛速度慢的主要原因。对边界层特征明显的流动的N-S方程数值求解,提出了积分法热流计算方法,热流由傅立叶定律统计的热流项和粘性功两项组成。平板层流、钝锥绕流气动加热算例表明计算结果的网格依赖性明显降低,收敛速度加快,为提高热流计算的可靠性和计算效率提供了一条新的思路。

航天十一院热管军民两用技术的最新进展

热管是当今世界最高效的传热技术之一。简单介绍了中国航天科技集团公司第十一研究院(简称航天十一院)热管军民两用技术的发展概况,就航天十一院高温和超高温热管、铝-氨中低温热管、旋转热管的研究背景和性能作了重点阐述,并指出了热管技术在今后国民经济中的应用前景。

三维侧压高超声速进气道试验与计算研究

针对三维侧压高超声速进气道开展了试验与计算研究。试验在中国航天空气动力技术研究院的高超声速脉冲风洞中进行,在试验中,来流马赫数为6,文中采用三维有限体积并行计算程序对风洞试验条件下的流动进行了数值模拟,采用k-g湍流模型,时间迭代采用LU隐式格式,对流通量采用了AUSM+、AUSMPW两种不同的空间离散格式进行了对比计算研究,结果表明两个不同的格式都能较好地模拟进气道流场。顶板中心线和离开中心线0.02m位置处的压力分布计算值和试验结果基本一致,表明AUSM+、AUSMPW格式的激波分辨率较高,粘性耗散比较低。计算结果还显示在侧压板壁面出现激波诱导边界层分离现象。

尖前缘一体化高温热管结构设计与分析

一体化高温热管是针对新型高超声速飞行器前缘热防护需求提出的新型非烧蚀防热技术。但其在高温工作状态下具有较高的内部蒸汽压力,高温时材料力学性能会出现显著下降,且结构刚度和强度降低,对高温热管结构设计提出很高的要求。因此针对尖前缘一体化高温热管进行内部结构设计与分析,给出改变壁板厚度、添加加强肋等结构增强方式,并建立系列计算模型,分析得到壁板厚度、加强肋增强范围等结构参数变化对结构刚度、强度性能的影响规律,同时综合考虑热防护性能和结构完整性,优选出合理的设计参数,为尖前缘一体化高温热管的工程实现奠定基础。

尖前缘一体化高温热管启动性能计算分析

针对尖前缘高温热管工程设计与启动性能评估需求,基于描述碱金属高温热管启动过程的"温度锋面"模型,建立了一种用于分析不规则外形且承受非均匀瞬态气动加热的一体化尖前缘高温热管启动性能工程计算方法。该方法结合尖前缘气动加热环境分布特点进行计算节点划分,采用热管基本理论和局部能量守恒原理计算热管温度分布及"温度锋面"位置,实现尖前缘热管启动过程的理论预测。同时,采用均匀受热圆柱热管和尖前缘一体化热管启动试验结果对计算方法进行了验证。最后针对某尖前缘一体化高温热管结构在气动加热环境下的启动性能进行计算分析,提出了减小尖前缘高温热管启动时间的可能方法和措施:尖前缘高温热管启动后等温性良好,通过控制热管总长、壳体厚度、工质充装量等设计参数或调整热管初始温度可进一步缩短热管启动时间。

C/SiC材料主动氧化烧蚀计算研究

建立了C/SiC材料的热化学平衡烧蚀模型,进行了C/SiC材料烧蚀机理的计算研究和试验验证,理论计算结果和试验数据符合良好。计算结果表明,在高温空气环境下,C/SiC材料的无因次质量烧蚀率"B"与材料中C元素、Si元素的质量分数及温度、压力有关。在同样条件下,C/SiC材料主动氧化烧蚀速率大于C/C复合材料烧蚀速率。

高温热管与高导热石墨烧蚀传热性能

利用石英灯辐射加热器和电弧风洞耦合加热模拟高超声速飞行器驻点高温区的加热环境,对一种内部为高温热管和一种内部为高导热石墨的简单球柱形套装样件进行了加热试验。利用非接触红外测温装置对样件表面的温度进行了测量,通过与内部为C/C材料制成的对比样件的试验结果分析,发现高温热管和高导热石墨均能够有效地将样件驻点高温区热量传导到柱身低温区,其中高温热管样件驻点温度降低9.5%,柱身温度升高14.6%;高导热石墨驻点温度降低14.4%,柱身温度升高11.4%,显示两种材料均具有良好的热疏导效果。

复杂构型前缘疏导热防护技术

针对前缘驻点区热流密度高、热流梯度大的特点,基于疏导式热防护思想,研制了一体化疏导式热防护前缘结构.根据力热承载要求,设计了一体化薄壁结构方案,内部充装碱金属工质,在气动加热条件下形成工质相变及输运的热管式闭式循环,实现驻点区热量的快速疏散.通过结构封装、热管充装等工艺流程,实现结构样件,最终通过了飞行试验验证.结果表明,疏导结构启动时间约为94.5 s,疏导效率达到23.4%.

二氧化碳介质气动加热环境下碳化热解类防热材料烧蚀机理分析

目的研究轻质热解类防热材料在高焓CO2气动加热环境下的炭化层烧蚀机理。方法建立考虑化学反应动力学过程影响的材料热化学烧蚀特性计算方法,研究碳化热解类防热材料在二氧化碳介质气动加热环境下的炭化层烧蚀机理,分析与空气介质环境下的材料烧蚀特性差异,计算得出二氧化碳气体离解、热解引射气体质量流率和组分等因素变化对防热材料烧蚀特性的影响规律。结果3000K温度下,当压力为1.0×10^5 Pa时,二氧化碳组分和地球大气的无因次烧蚀因子分别为0.26和0.17。结论压力或温度升高、二氧化碳离解程度升高、来流扩散质量流率或热解气体流率减小,均会使材料无因次质量烧蚀率更大,同时烧蚀热效应也发生相应改变。

SiC抗氧化机制电弧加热试验

介绍了在电弧加热器上进行的SiC的抗氧化机制研究试验,根据SiC的主动、被动氧化机制,调试出相应试验条件并进行了模型试验。结果表明,SiC在一定的氧分压环境中,表面温度低于转捩温度时,会在表面形成SiO2薄膜,阻止氧向防热层内部扩散,降低了碳同氧的反应程度,阻止了基体碳的烧蚀;当表面温度高于转捩温度时材料发生主动氧化,材料表面发生烧蚀。

超高温热管的热防护试验验证与数值分析

为深入研究高超声速飞行器尖前缘部位的热防护问题,开展了铌合金-锂工质超高温热管的地面电弧风洞考核试验,并通过简化数值分析模型,对其传热能力及在不同飞行状态下的有效性进行了分析。试验结果表明,铌合金-锂工质超高温热管可有效提升尖前缘部位的防热安全性,数值结果显示其有效导热率可达1 500 W/mK。在30km、Ma7-10范围内,铌合金-锂工质超高温热管可使前缘驻点温度下降19%左右,最大温差明显下降,结构热应力显著降低,使铌合金材质的尖前缘结构可应用于更高飞行状态。

喷雾冷却过程的数值模拟方法探索

喷雾冷却是一种高效的热控技术,为了探索形成喷雾冷却技术设计流程,文章研究了喷雾冷却过程的数值模拟方法.针对单相模式和相变模式的喷雾冷却数值模拟,利用发展成熟的内燃机燃油喷雾油膜模拟方法来模化喷雾冷却液膜的相变与传热,开展了基于计算流体动力学的模拟计算.同时建立了喷雾冷却实验台,开展了稳态喷雾冷却实验.计算结果与实验对比表明,基于内燃机燃油喷雾的油膜模拟方法能够较准确地计算单相传热模式下的喷雾冷却性能,而会显著低估相变传热模式下的喷雾冷却性能.

可压缩算法在燃油冷却数值研究中的应用

为深入研究超燃冲压发动机的燃油主动冷却过程,在可压缩算法框架下,引入预处理技术、低耗散数值离散格式、一般流体状态方程、高压物性模型、燃油裂解模型等,发展了一套适用于求解一般流体低速可压缩问题的数值模拟方法。利用电加热管试验对数值方法进行了验证,并定量研究了PR-3燃油的冷却需求量及平板面板冷却槽道布置的影响。结果表明,数值结果与试验符合很好,证明当前数值方法在燃油冷却数值模拟中是准确有效的。针对350mm×90mm×6mm的平板面板冷却过程,需要约10g/s的燃油可确保1WM/m2热流下的防热安全。槽道布置对温度场影响明显,两侧进油方式比单侧进油的最大温差低约150K,均温性更好,更有利于降低结构热应力。

喷雾冷却相变传热的建模与模拟计算

喷雾冷却是一种高效的热控技术,为了探索形成完善的喷雾冷却技术设计流程,文章开展了喷雾冷却传热过程的建模研究.针对喷雾冷却传热过程的模拟计算,基于喷雾冷却相变传热的4个传热机制液膜对流传热、池沸腾传热、二次气泡沸腾传热、二次气泡高频化机制,利用Monte Carlo方法描述了不同粒径与速率分布的液滴撞击液膜并生成二次气泡的过程,通过液态介质中气泡生长速率的解析计算模型考虑了气泡的生长过程,并结合模化气泡与气泡之间、液滴与气泡之间、气泡与液膜之间的干涉行为描述了气泡的演化过程,通过综合液膜单相对流与气泡相变传热,发展了喷雾冷却相变传热模拟计算方法.基于喷雾冷却实验台开展了稳态喷雾冷却实验,实验校核结果表明,计算方法能够较好地模拟喷雾冷却相变传热性能.另外还分析了影响本方法计算精度的两类因素.

当量比对单凹腔超燃燃烧室流场影响的三维数值模拟

采用有限体积形式的上下三角分解(LU)隐式格式和k-g湍流模型,求解了多组分的N-S方程组。以北京航空航天大学宇航学院直连式超燃实验台的煤油燃烧实验为算例,开展了当量比φ=0.32～0.97下5个工况的煤油超声速燃烧流动的三维并行数值模拟。计算结果表明:燃烧主要发生在煤油喷嘴所在的下壁面附近,流动出现亚声、超声的分层现象,高当量比工况下燃烧放热形成高的反压时,凹腔所在的燃烧室段出现激波串流动结构。计算得到的壁面压力分布曲线与实验结果符合良好。