大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计

针对结构热试验模拟的精细化需求,对大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计进行了研究。发展了石英灯阵辐射热流模拟程序,分析了采用传统单灯热流分布数据库插值叠加获得的石英灯阵热流分布的适用范围,基于遗传算法,发展了以灯阵中各灯功率为优化参数的石英灯阵热流模拟优化设计方法,并基于所建方法对某飞行器结构部件迎风面气动加热进行了灯阵模拟,获得了灯阵加热和气动加热条件下迎风面温度变化特性。结果表明,基于本文方法对石英灯阵中各灯功率进行优化设计,采用简单石英灯阵即可有效地模拟大面积非均匀气动加热,从而有效提高试验模拟精度,但前缘等位置的高热流区模拟精度有待进一步提高。     

高超声速气动热辨识技术实验研究

为估计高超声速飞行中的气动热流,采用热流辨识技术研究了平板表面的气动热流。首先采用仿真数据对辨识方法进行验证,结果表明,在测量噪声较低时热流辨识结果误差较小。此后,开展了平板的高超声速气动热风洞实验,通过内埋热电偶测量平板内部温度,采用热流辨识法获得平板表面的气动热流,采用辅助测点对比验证了内埋测点辨识结果的可信度。最后将辨识结果与平板边界层热流理论估算结果进行对比,分析了两者产生误差的原因。本文的研究为热流辨识技术的实际应用奠定了基础。     

气动加热／热响应耦合分析与试验研究

概述了气动加热与热响应耦合分析技术的国内外研究进展，给出M．《6飞行器零压力梯度部位气动加热与热响应的耦合分析及试验验证方法。气动加热采用工程算法，在自主开发结构温度场计算软件ASTSA基础上，加入气动加热计算模块，实现了气动加热／热响应耦合分析功能。利用全方程热流密度控制技术，完成了气动加热／热响应耦合地面热模拟试验，实现了对耦合分析结果的试验验证。依据上述分析利试验方法，对受气动加热载荷作用的某导弹油箱的温度场进行了入数值计算和试验测试，计算结果与试验结果吻合较好，说明分析方法是正确的，可以用于工程实际。     

低速高温燃气流热模拟试验方法和设备

对比分析了两种气流状态参数和两种加热情况下典型前缘部件表面热流密度的相似性,论证了利用亚声速高温燃气流加热方式进行近地空间高超声速飞行工况气动热模拟试验的可行性.针对高超声速飞行器典型钝头锥结构提出“小喷口低速高温燃气流+石英灯”组合热试验方案.通过采用新型高效双腔蒸发管型燃气发生器、新型带保温夹层和耐高温陶瓷内衬的水冷不锈钢高温管道结构,同时引入电加热器预热及燃烧室两路供油方案,使所建低速高温燃气流热试验设备产生燃气流温度达到2100K,φ250mm喷口处平均径向温度分布梯度约3K/mm,具有线性温度控制功能且稳态控制温差约46K,满足24km、马赫数为6典型高超声速飞行器工况驻点区域高温/大热流密度气动热试验要求.      

滑移流区化学非平衡流中气动热环境的数值模拟

针对滑移流区化学非平衡流中的气动热环境预测问题，采用多组分化学非平衡纳维-斯托克斯（N-S）方程对轨道验证飞行器（OREX）进行数值模拟，对比了有限催化和非催化、滑移和无滑移壁面条件下的气动加热，研究了壁面催化和滑移效应对气动热的影响规律，并分析了影响气动热的主要机制。结果表明：壁面催化和滑移效应均会影响流场物理量分布，高度为92.82 km时对激波脱体距离的影响较为明显；随着高度减小，有限催化与非催化壁面间的热流偏差增大，而滑移与无滑移壁面间的热流偏差减小；高度低于92.82 km时有限催化壁面计算得到的驻点热流值与飞行数据吻合较好，偏差均在11%以内；机制分析发现，催化效应对壁面附近的组分分布影响较大，滑移边界条件中的温度跳跃条件对壁面附近的温度分布影响显著。     

高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统

为得到高速飞行器表面各部分的热应力，应变，结构膨胀量等高温力学性能参数，须建立高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统。针对高速飞行器气动模拟试验瞬态热控过程所具有变化复杂，高度非线性，瞬变，强耦合的特点，将模拟控制方法应用于瞬态气动热模拟控制系统。该系统能够按照高速飞行器飞行过程中表面热流和温度的瞬态连续变化对气动模拟加热过程实施快速，准确的动态控制。     

高超声速飞行器脆性透波材料大热流冲击下断裂性能试验

高超声速飞行器在俯冲段、高机动变轨或瞬间外露定位探测设备时，快速变化的高热流密度气动热会对天线窗、天线罩等部件产生强烈的热冲击。判断脆性材料透波部件在大热流密度冲击下是否出现断裂破坏及确定断裂时间点，对于高超声速飞行器能否最终锁定并击中目标具有极为重要的意义。本文建立石英灯红外辐射式大热流冲击试验系统，最大冲击热流密度可达1.5 MW/m²，并对SiO₂和Al₂O₃2种脆性材料进行了高速热冲击试验。热流冲击模拟准确，控制结果与预设热流的相对误差小于1.0%。同时，采用数字图像相关方法实时采集热冲击过程中脆性材料表面散斑图像的动态变化，成功捕捉并获得了断裂时间点这一重要关键参数。通过对散斑图像的分析计算，得到了脆性试验件断裂前的表面应变的变化。试验结果为高超声速飞行器透波天线窗等信号探测定位部件在高速大热流热冲击下的安全可靠性设计提供了重要依据。     

有限催化对返回舱气动热环境影响

基于给定催化效率的方法,发展了包含离子组分的有限催化边界条件,并结合多组分化学非平衡N-S方程数值求解,建立了有限催化条件下的高超声速飞行器气动热环境计算方法。采用不同催化效率对返回舱外形典型再入工况气动热环境开展了计算分析,研究了壁面有限催化对该返回舱气动热环境的影响规律。结果表明:壁面催化效率对返回舱气动加热影响显著,采用低催化效率壁面材料可有效缓和返回舱气动热环境;扩散热流相对传导热流对壁面催化效率更加敏感,是影响气动热的主要机制,但热流并不随催化效率增加而线性增大;壁面有限催化对气动热的影响不仅与壁面材料催化效率有关,也与流场离解电离程度、壁面密度、温度等当地流动参数相关。     

局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。     

火星大气高温光谱建模与非平衡辐射热流预测

火星科学实验室成功着陆后的热环境重构数据表明，气动辐射加热在火星进入防热设计中具有不同于以往认识的重要影响，未知机制和模型不确定性等问题有待进一步研究。探测器高速进入火星大气产生极高温非平衡气动环境，造成火星气动辐射与常规CO₂红外辐射研究显著不同。针对火星大气高温光谱和辐射热流预测，首先，建立适用于火星大气的高温非平衡光谱辐射模型，获得典型高温条件CO₂光谱结构和辐射强度，与NASA和JAXA试验结果对比，结果显示符合较好。其次，依靠激波管和发射光谱测量技术，开展典型进入条件的辐射强度测量试验，数值结果、试验值和NASA试验结果相互符合较好，验证了光谱模型。最后，对探路者号进行气动辐射加热分析，完成典型进入条件下的非平衡流动和辐射特性计算，基于光线法得到光谱辐射强度沿驻点线的变化，表明高速与低速条件的气动辐射机制存在显著差异；基于有限体积法获得进入器表面辐射热流分布，结果显示辐射热流的分布及变化规律与地球再入显著不同，进入速度6 km/s以下时辐射热流随进入速度增加而减小，同时进入器锥身及肩部的辐射热流高于驻点区域。     

Φ1m电弧风洞大尺度防隔热组件烧蚀热结构试验

针对大面积区域高焓、低热流、长时间气动加热环境,对1 m电弧风洞地面模拟试验系统进行了建设与完善,并引入了石英灯辐射辅助加热技术,对400 mm ×400 mm大尺度模型进行了试验,结果表明这种联合加热方式能够有效用于大尺度模型防、隔热及烧蚀热结构性能考核试验研究.     

典型尖楔结构燃气流热试验工况确定方法

在传统冷壁热流模拟方法的基础上,进一步提出以热壁温度及热流密度的时序变化曲线为控制目标的燃气流热试验工况确定方法,即利用壁温控制目标与实测值的偏差对热壁热流控制目标做一定修正,以尽可能消除和弥补前期试验误差,同时利用300K冷壁边界热流密度数据库插值迭代方法,快速确定一定气动热模拟所需燃气流温度,解决了沿飞行轨迹瞬态热试验技术难题之一。利用CFD数值模拟方法,建立了典型尖楔结构高/中温双路燃气流组合热试验300K冷壁边界热流密度数据库,并针对典型尖楔结构沿某飞行轨迹9个典型状态气动热模拟需求,确定相应双路燃气流热模拟参数。相关数值计算结果显示,驻点区域热流密度平均模拟偏差为4.5%,平板区热流密度平均模拟偏差为4.6%,两者最大模拟偏差均不大于8%,满足工程试验精度要求。同时,瞬态热分析结果显示第45s时,距驻点1mm处最大温度梯度达到21K/mm,距驻点10.1mm处最大温度梯度达到18K/mm,满足气动热大温度梯度效应需求。      

凹腔尺寸对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统性能的影响

针对高超声速飞行器热防护系统(TPS)的设计,对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统展开研究.在数值方法实验验证的基础上,通过求解Navier-Stokes方程得到了带组合热防护系统的鼻锥的流场结构以及壁面热流分布.验证了组合热防护系统的有效性.在逆向喷流条件不变的情况下,进一步研究了凹腔的尺寸变化对其防热能力的影响.研究发现:凹腔的直径越小,深度越深,气动加热值越低.自由来流与逆向喷流形成的回流区在减少鼻锥的气动加热上起到关键的作用.相对于凹腔深度的变化,鼻锥壁面的气动加热更敏感于凹腔直径的变化.      

高超声速典型弹道下的壁板热气动弹性动力学分析

对高超声速流中带有热防护系统（TPS）的二维壁板进行了热气动弹性的双向耦合建模与分析,采用三阶活塞理论计算气动力,通过参考焓法获得气动热流,在有限差分法的基础上进行结构热传导计算,拟合了结构材料特性随温度退化的曲线,最后将气动热模块、气动弹性模块进行双向耦合以考虑气动热与结构形变之间的相互反馈,并在2种典型弹道状态下进行热气动弹性响应分析。结果表明,在X-34A的设计弹道下,双向耦合分析会引起更加剧烈的热应力与热弯矩的变化与较长的瞬态混沌过程。在FALCON弹道下,双向耦合得到的结果加热更为剧烈,而温度下降的过程也更快。对比2种弹道发现,长时间的高超声速飞行更容易引发颤振,而机动性较强的弹道面临的主要问题则是屈曲,需要考虑材料的应力及强度特性。同时说明了双向耦合策略对于现代飞行器在弹道状态下工作的热气弹响应分析的必要性。     

“Ⅳ型”激波干扰中流-热-固耦合问题一体化计算分析

针对高超声速进气道前缘"Ⅳ型"激波干扰产生的气动加热与结构传热多物理场耦合计算问题，发展了一种基于有限体积法的流-热-固一体化计算方法。该方法采用一体化控制方程组统一离散求解外部高速流场与内部结构温度场，规避了传统分区耦合算法在时间域内交替迭代的繁琐数据交换策略。另外，提出一种新的双温阻模型计算流-固交界面的物性参数以保证计算准确性，采用LU-SGS隐式时间迭代和自适应时间步长以提高计算效率。采用经典高超声速二维圆管流-热-固耦合算例对该一体化方法进行验证，计算结果与试验值和参考文献数据吻合较好，证明了该方法的可靠性和正确性。利用一体化方法对高超声速前缘"Ⅳ型"激波干扰流-热-固耦合问题进行定常/非定常计算与分析，给出了温度与热流的时变特性，计算结果表明，激波干扰作用产生的超声速"喷流"不断冲击壁面，使得壁面最大压力系数增大约9倍，壁面最大热流增大约4.7倍，给高速飞行器的热防护设计与选材带来严峻挑战。同时，也表明了一体化计算方法可以较好地用于长航时飞行条件下与复杂飞行环境下的高超声速热防护系统的热环境特性分析与综合性能评估。     

尖楔结构低速高/中温双路气流组合热试验方法

在典型高超声速飞行工况下,数值模拟分析了高温合金尖楔前缘结构沿气流方向大温度分布梯度将带来严重的热强度问题,产生大温度分布梯度的根本原因是尖楔结构头部区域平均热流密度与后段平板区域平均热流密度之差,而受头部区域热流密度具体分布的影响不大;进而提出了一种低速高/中温双路气流组合热试验方案,并通过数值模拟方法证明了该方案具有两股气流参数可以独立调节分别满足尖楔结构头部驻点区域及后段平板区域大、小两种热流密度的优点,进而解决单喷口低速高温燃气流热模拟试验难题,满足尖楔结构高超声速飞行工况下大温度梯度模拟要求.同时,该方案通过高/中温气源的合理组合搭配可以大大降低尖楔结构热试验所需高温气源发生功率,推广应用于电弧风洞可拓展其热试验范围.      

A novel intelligent adaptive control of laser-based ground thermal test

Laser heating technology is a type of potential and attractive space heat flux simulation technology, which is characterized by high heating rate, controlled spatial intensity distribution and rapid response. However, the controlled plant is nonlinear, time-varying and uncertainty when implementing the laser-based heat flux simulation. In this paper, a novel intelligent adaptive controller based on proportion–integration–differentiation(PID) type fuzzy logic is proposed to improve the performance of laser-based ground thermal test. The temperature range of thermal cycles is more than 200 K in many instances. In order to improve the adaptability of controller,output scaling factors are real time adjusted while the thermal test is underway. The initial values of scaling factors are optimized using a stochastic hybrid particle swarm optimization(H-PSO)algorithm. A validating system has been established in the laboratory. The performance of the proposed controller is evaluated through extensive experiments under different operating conditions(reference and load disturbance). The results show that the proposed adaptive controller performs remarkably better compared to the conventional PID(PID) controller and the conventional PID type fuzzy(F-PID) controller considering performance indicators of overshoot, settling time and steady state error for laser-based ground thermal test. It is a reliable tool for effective temperature control of laser-based ground thermal test.