可重复使用热防护系统试验验证技术概述

主要针对高超音速飞行器三种典型可重复使用热防护系统概念,详细阐述了热防护系统试验验证技术国内外进展。国外所开展的热防护系统验证试验项目,主要包括热物理性能试验、力学性能试验以及在热、压、振动、噪声、大气暴露、雷击等极端环境下的TPS结构耐久性试验三大类。简要介绍了热防护系统验证试验的关键技术,分析了国内在热防护系统试验验证技术方面的技术需求,阐明了我国热防护系统试验验证技术未来发展方向。     

粘接结构胶层热应力分布影响因素

通过建立粘接结构的有限元模型来研究温度变化引起的粘接结构中胶层的热应力分布情况。通过胶层应变测试试验,对比胶层侧边中点及端点处的应变与仿真结果的差异,验证有限元仿真结果的可靠性。研究了多种因素,包括胶层厚度、胶层两侧被粘接材料的热膨胀系数的差异和被粘接材料的刚度的变化对胶层热应力分布的影响规律。最后探讨了大温差环境中使用的粘接结构在设计过程中需考虑胶层的热应力来选取胶层的厚度及被粘接材料。     

金属热防护系统多层隔热材料的传热分析及参数优化

采用能量平衡方程和离散坐标法近似地建立了金属热防护系统多层隔热材料的一维稳态传热的数学模型，并利用遗传算法和纤维隔热材料的有效导热系数试验数据求解传热反问题，从而得到了模型中的纤维隔热材料的辐射衰减系数、反照率和隔热屏表面辐射发射系数。最后，由实验测得了多层隔热材料的有效导热系数，验证了采用优化参数后，多层隔热材料的传热模型的正确性。     

热防护系统损伤容限分析

建立了含初始矩形损伤的热防护系统(Thermal protection system,TPS)气动热分析的CFD数值模型,分析结果表明损伤区域侧壁出现了很高的热流密度峰值,并且迎风面侧壁峰值高于背风面,而损伤区域底部热流密度却很低。利用分析获得的热流密度建立了含损伤和无损伤TPS的有限元传热分析模型。分析结果表明:损伤的存在导致防热瓦最高温度急剧上升,超过其材料能承受的极限温度(1 500℃),防热瓦首先失效,而损伤对机体最高温度影响较小。最后进行了TPS损伤容限分析,在防热瓦极限温度约束下,外部热流密度最大值从100kW/m2增加到140kW/m2,矩形损伤宽度最大容许值从22.7mm减小到12.6mm,而弧形损伤宽度最大容许值从34.6mm减小到25.1mm,即随着外部热流密度最大值增加,损伤宽度的最大容许值降低,并且相同外部热流密度水平下弧形损伤宽度的最大容许值大于矩形损伤。     

热环境下不同变量对功能梯度材料壳振动模态的影响

为推进功能梯度材料(FGM)在导弹热防护系统中的应用,旨在研究导弹体热防护壳在不同变量条件下振动模态的变化规律。在建立FGM圆柱壳动力学方程的基础上,借助FGM的热物性参数模型,通过数值计算探讨了陶瓷体积分数指数、热应力以及弹体厚度对FGM壳振动模态的影响。结果表明:陶瓷体积分数指数和热应力对弹体振型无明显影响,弹体振动频率变化是热物性参数变化和热应力变化综合作用的结果,陶瓷体积分数对振动频率影响不明显,弹体的振动频率随壳体厚度增加而增大。     

防热瓦式防护系统缝隙热控设计规律

建立了热防护系统(Thermal protection system,TPS)缝隙气动热分析的计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模型,将缝隙热流密度分布情况与平板热流进行了对比,结果表明由于缝隙的存在缝隙上端出现了热流峰值,并且缝隙迎风面热流密度大于背风面热流密度,缝隙热流密度主要集中在缝隙上端与缝隙宽度相当的区域内;采用分析获得的缝隙热流密度建立了缝隙热控分析的有限元传热模型,结果表明缝隙气动热和缝隙类空腔辐射会造成机体表面温度的升高,是造成缝隙热短路现象的原因;最后研究了缝隙几何形状(缝隙宽度、缝隙倒圆角以及缝隙台阶)对缝隙热控性能的影响,分析结果表明随缝隙宽度增加,机体表面最高温度升高。随缝隙倒圆角半径增加,机体表面最高温度降低。随缝隙台阶高度增加,台阶正差时机体表面最高温度升高,台阶逆差时机体表面最高温度降低。     

厚壁圆筒热应力问题的传递函数方法

采用传递函数方法研究了厚壁圆筒的热应力问题.首先建立了厚壁圆筒的热弹性基本微分方程,然后运用传递函数方法求解了温度场作用下厚壁圆筒的位移与热应力,并给出其封闭形式解.数值算例表明计算结果与有限元方法的计算结果一致.该文方法还可应用于复合材料层合厚壁圆筒结构的热应力分析.     

耐用防热方案的验证试验

为了给未来空间运载系统表面提供耐用的热防护,正在研制三种新型防热系统(TPS):钛合金多层壁、超级合金蜂窝和新的碳-碳多支柱结构。该文介绍这些方案的验证试验(热、振动、噪声、存放环境、雷击、气动热)。初步试验结果表明三种防热方案,可以在2300°F以下表面温度范围内使用。     

传热对微型摆式发动机性能的影响机制分析

建立了微型摆式发动机(Micro internal combustion swing engine,MICSE)的计算模型,揭示了传热及其尺度效应对微型摆式发动机性能的影响机制。结果表明:壳体仅在一个较薄的热缓存层内与工质气体进行周期性热交换。在进气过程中,热缓存层对气体的传热会提高气体温度,从而降低进气质量和压缩比;在做功过程中,气体对热缓存层的传热减少做功,这两方面都会降低系统热效率。尺寸越小,进气气体在热缓存层传热下的温升越大,相对进气质量和压缩比越低;做功过程中的气体向热缓存层的传热量占燃气总化学能的比值越高。因此尺寸越小,传热效应增强,热效率越低。     

温度载荷对壁板动力学特性的影响

提出了一种新的结构热应力、热模态求解方法。采用多变量有限元方法进行几何非线性单元列式,将温度的影响转化成热载荷进行静力学非线性有限元分析得到结构内部热应力,然后计算受热应力影响的结构非线性热刚度矩阵。由热刚度矩阵和质量矩阵进行广义特征值分析得到结构的热模态及其模态频率。最后,给出了热屈曲的计算方法。针对典型壁板结构计算了热应力和热模态,计算结果与Nastran相差在10%以内,分析了热应力对壁板结构动力学特性的影响。     

Two Degree-of-Freedom Dynamic Theoretical Model on Tile Thermal Protection System

In order to study the dynamic behaviors of the thermal protection system(TPS)and dynamic strength of the strain-isolation-pad(SIP),a two degree-of-freedom dynamic theoretical model is presented under the acoustic excitation and base excitation. The tile and SIP are both considered as the elastic body and simplified as a mass point,a linear spring and a damping element. The theoretical solutions are derived,and the reasonability of theoretical model is verified by comparing the theoretical results with the numerical results. Finally,the influences on the dynamic responses of TPS by the structural damping coefficient of TPS,elasticity modulus and thickness of SIP are analyzed.The results show that the material with higher damping,and SIP with thicker size and lower elastic modulus should be considered to reduce the dynamic responses and intensify the security of TPS. The researches provide a theoretical reference for studying the dynamic behaviors of TPS and the dynamic strength of SIP. Besides,the dynamic theoretical model can be used as a quick analysis tool for analyzing the dynamic responses of TPS during the initial design phase.     

气动热试验中稳态热流测量技术研究

高超声速飞行器热防护系统防热结构、防热材料的地面防热试验研究中,模型表面热流大小是关键参数之一。介绍了防热试验研究中瞬态热流测量技术,详细分析和论述了将红外热图测试技术和水卡量热计测试技术相结合,利用动态换热平衡和能量守恒原理实现防热试验中稳态热流测量的基本理论和测试方法,并给出初步试验结果。该技术的建立,为地面防热材料筛选和材料防热机理研究提供了有效、可行的测试手段。     

轻质点阵主动冷却壁板热流固耦合响应分析

提出一类以点阵材料为夹芯的新型轻质主动冷却壁板,研究了Ma=6条件下的该壁板的流固耦合传热性能及热结构响应性能,并从热防护、热强度和轻量化等几个方面与槽道式主动冷却结构进行了综合比较。采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,考虑了几种典型的点阵夹层结构与冷却液动态换热过程的相互影响,分析中考虑了碳氢燃料与合金材料热物理性质随温度的变化以及湍流换热,求解获得了流体与结构的三维瞬态温度场,并通过顺序耦合求解获得了结构的应力场。计算结果表明,在相同的热环境下,高孔隙率的轻质点阵夹层结构的流固界面换热性能远高于槽道式主动冷却结构,因此结构的最高温度也较低,同时应力集中问题也有所缓解。通过对不同构型的点阵夹层结构的比较发现,胞元构型对其传热性能和结构应力应变有显著的影响。     

低速TPS试验内式流量控制技术研究

TPS试验技术是风洞中研究飞机/发动机一体化设计的最佳手段之一。作为发动机模拟器的TPS单元采用高压空气驱动，因此高压供气流量控制精度与试验精度直接相关。常用的外式流量控制方式由于风洞模型内部空间限制，无法对2台以上的TPS单元进行流量控制。针对外式流量控制方式的不足，设计了一种基于双喉道匹配设计的内式流量控制装置，集流量控制与测量功能于一体，可同时进行4台TPS单元的流量控制，满足4发运输机的动力模拟试验需求。为考核该装置的性能，进行了地面校核试验，试验结果表明该装置具有良好的流量线性控制能力，控制分辨率优于0.15 g/s，流量控制精度优于3 g/s；在8 m×6 m低速风洞进行了某型飞机全模TPS动力模拟试验，试验重复性精度满足国军标合格指标。     

2.4m跨声速风洞TPS测控系统设计与实现

带涡轮动力模拟器(TPS)实验是一种先进的进/排气一体化动力模拟实验技术,该技术能为大型军用运输机、战略轰炸机、大型民用飞机、巡航导弹等推进/机体一体化设计提供必须的实验平台和有力的技术支撑.其中,TPS测控系统主要是为TPS单元驱动气体流量提供精确控制和测量并且负责TPS单元的安全监控工作.笔者介绍了2.4m跨声速风洞TPS测控系统的设计、实现以及调试应用情况.结果表明,整个实验系统运行稳定,工作可靠,TPS涡轮驱动气体的流量波动可以控制在0.001kg/s以内,可应用于型号实验.     

高热环境下前缘结构高温应变测量

高超声速飞行器前缘在大气层中长时间飞行时受热严酷,热应力影响大,分析前缘结构热应力十分必要。在电弧风洞模拟的高热环境下采用高温应变计对高超声速飞行器前缘结构进行了高温应变测量,介绍了试验设备、试验条件、试验模型和热输出标定等,并介绍分析了碳基复合材料和某耐热合金2种材料前缘模型试验结果,同时对比了有限元计算结果,表明测量结果真实。试验应变测量最高温度600℃,试验结果表明,前缘模型侧面平板的应力状态处于合理水平。应力应变数据对于结构优化设计起到了重要作用。     

PWM变频器供电的感应电机传热特性

为了探究电动机在脉宽调(Pulse width modulation，PWM)变频器供电下的传热特性，近一步揭示变频参数（调制比）对电动机温升分 布的影响特征,以一台采用PWM变频器供电下55 kW驱动用感应电机为例，基于流体力学及传热学基本原理，结合电机通风结构特征，建立外部包裹有空气域的三维流热耦合求解域模型，并采用有限体积元法对电机内的温度场进行了数值研究。此外，针对PWM不同调制比控制条件下电动机全域内的传热特性进行了对比分析，结果表明：两个不同调制比控制条件下电机求解域 内各主要部件温升分布趋势大致相同；径向上，转子部分温升较高，在气隙位置温升出现阶跃式变化，定子部分温升较低；轴向上，电机各部分近风端温升较低，远风端温升较高；周向上，定子轭部温升呈波浪式变化。     

飞行器热防护结构的相似准则问题研究

高速飞行带来的气动热与热防护问题是制约高速飞行器系统提高技术水平和能力的一个主要技术瓶颈。在飞行器结构设计过程中,对飞行器结构进行考核试验必不可少。受风洞设备试验能力限制,试验模型尺寸、来流条件等与实际飞行通常存在较大差异,要在试验中完全模拟实际飞行环境、温度和应力状况无法做到。对飞行器进行缩放处理后进行模型的风洞热结构考核,并通过相似准则获得真实结构的温度/应力分布特性,为飞行器热防护设计提供支撑有着迫切需求。本文通过热传导方程和热弹性动力学方程组,对其中的模型相似参数进行讨论,并根据模型试验边界情况进行了讨论研究。提出了飞行器热防护结构地面考核试验的相似准则,并建立了不同试验类型情况下需要遵循的相似准则条件。该相似准则体系具有较大的灵活度,同时具有很高的实用价值。     

涡轮发动机动力模拟器校准箱天平校准技术研究

笔者通过对校准箱中德国涡轮发动机动力模拟器(TPS)天平的研究,提出了外式组合天平校准方法及校准原理.针对TPS德国天平本身的结构特点、载荷大小,建立校准中心.研制一套专用德国天平校准装置,进而对该天平进行最终校准,给出校准公式,得出校准数据.     

3 m×2 m结冰风洞热流场品质提高及评估

结冰风洞热流场品质符合性是大型结冰风洞适航应用的基础。为明晰制冷系统性能升级优化对3 m×2 m结冰风洞热流场品质的影响,开展了热流场符合性验证试验,评估了热交换器出口和试验段两位置处热流场品质,给出了气流总温修正关系,形成了热流场控制包线。结果表明:热交换器出口和试验段模型区内热流场品质在主要试验工况下均优于SAE ARP5905指标;与升级优化前（2019年）试验结果对比,优化后试验段模型区内热流场空间均匀性显著增强,尤其在高风速、低总温工况下,模型区内均未出现超标的非均匀峰值点。结冰风洞制冷系统的升级优化显著扩展了3 m×2 m结冰风洞主试验段热流场控制包线,增强了结冰风洞试验模拟能力。