航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究(英文)

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究。采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度。采用JANAF模型计算烧蚀率。利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场。采用碳化层—热解面—原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法。针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题。通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题。计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确。

热解气体流动的二维烧蚀热防护数值仿真研究

研究了热解型碳化复合材料二维烧蚀的计算模型和计算方法。采用碳化层—热解面—原始材料层模型;将热解气体与碳化层之间的换热作为热载荷处理;计算了热解气体在碳化层中的流动和传热过程,获得了热解气体质量流量分布从而为烧蚀材料温度场计算提供边界条件。计算结果表明热解气体质量流量在碳化层明显成二维分布,不同位置的流量相差很大,并且对碳化层温度和烧蚀率有很大影响,因此,内部热响应计算需要考虑热解气体在碳化层中的流动和换热过程。

再入钝锥体烧蚀热防护内部热响应的数值仿真

研究了烧蚀热防护系统内部热响应的计算模型和计算方法.采用碳化层-热解面-原始材料层模型,建立碳基材料内部热响应物理模型和数学模型,利用有限元法分析和计算再入目标热防护系统轴对称内部热响应.着重研究和分析了轴对称烧蚀过程中热解气体质量流率计算方法和传热机制.将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过保证刚度矩阵和形函数矩阵的正定对称性可以加速温度场计算收敛.计算表明:热解气体的质量流量主要由厚度方向构成,占80%以上;头部驻点附近最大烧蚀厚度接近10mm,需要采用抗烧蚀能力强的碳-碳材料,身部烧蚀量小于2mm,可以采用密度较小的碳-酚醛材料.

烧蚀热防护结构地面热试验技术

以石英灯管为加热元件进行了烧蚀热防护结构热试验研究，对比了热流计不同布置方式下的试验结果差异，分析了烧蚀热试验特性对热流计不同布置方式及石英灯管正常工作的影响，开发了基于石英灯辐射加热的烧蚀热防护结构热试验技术，打造了全尺寸烧蚀热防护结构地面热试验平台，同时开发了热流一电压控制模式切换技术，形成了一整套安全可靠全尺寸烧蚀热防护结构地面热试验技术。

一种热平衡等温机制的新型热防护及相关技术

给出了一种适用于高超声速飞行器热防护的新概念——疏导式热防护,其基本理论是利用热平衡等温机制,使防热层趋于一等温体,实现热负载平衡。针对这一概念,进行了较为系统的研究,包括原理、分析方法、实现疏导式热防护的关键技术。研究结果表明,疏导式热防护技术可有效地减少高热流区的温度和热应力,是一种有效的非烧蚀热防护技术。

三维烧蚀内部热响应数值计算研究

对热解型碳化复合材料三维烧蚀内部热响应数值计算关键技术进行了研究。采用碳化层—热解面—原始材料层模型,将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过有限元法建立移动边界条件下温度场求解方程组,采用Gauss-Seidel迭代法计算热解气体质量流量和温度场。同时,研究和分析了三维烧蚀移动边界处理方法以及动网格生成方法。由于每个时间步都需要网格重划,烧蚀热防护数值计算对存储效率和计算效率要求较高,本文研究了内部热响应计算中影响存储效率和计算效率的主要因素,并提出了相应的压缩存储方案和求解方案。计算结果表明,移动边界处理方法准确合理;存储方案的存储效率较高;保持刚度矩阵和形函数矩阵正定对称性可以加快温度场计算的收敛速度。