高温燃气热环境加热特性的试验方法研究

简述了利用高温燃气流引射常温空气对近空间高超声速飞行器头锥部件进行地面热环 境模拟的实验方法,试验段高温燃气流引射常温空气使飞行器头锥部件达到驻点附近区域高 温而其余蒙皮表面低温的高超声速气动热分布特点。应用CFD计算流体力学软件FLUENT对试 验段头锥试件表面的流动加热特性进行了数值分析,得到了高温燃气引射常温空气在不同试 验设计条件下试件表面温度分布特点。数值模拟计算结果与飞行器在高超声速飞行状态下对 应机体部位气动热的理论计算值进行对比,证实利用高温燃气进行热环境模拟的方法是可行 的,为相关的热环境地面模拟设备方案论证提供依据。
     

吸气式高超声速飞行器气动热试验研究

为获得吸气式高超声速飞行器气动热环境的数据,开展了气动热试验研究。在激波风洞中,来流马赫数Ma=6.12,来流单位雷诺数Re/L=1.37×107(1/m)试验条件下,对吸气式高超声速飞行器1/4缩比模型进行了表面气动热的测量。试验获得了小攻角变化范围内的飞行器头部前缘、头部上下交线、机身上下表面中心线、机身横截面周向、平尾垂尾前缘、发动机唇口等位置的热流率分布。研究结果表明,吸气式高超声速飞行器头部前缘、前体进气道壁面、发动机唇口、平尾垂尾前缘气动加热最为严重,另外乘波体外形的设计与布局影响热流的分布。     

一种高超声速稀薄流激波干扰气动热测量技术

针对高超声速稀薄来流条件下的激波干扰气动热测量问题，设计了一种适用长时间、中低热流量值(5~500 kW/m2)的带封装结构的量热计，采用空气隔热设计方式降低其侧向传热，实现了有效一维传热，延长了测试时间；并通过热流传感器标定试验，实现了热流高精度测量。为验证量热计的测量性能，开展了地面标定实验和基于双锥模型的高超声速低密度风洞激波/边界层干扰实验(M10和M12)，量热计与同轴热电偶的测量结果进行对比分析。研究结果表明，本文所设计的量热计适用于稀薄来流条件下激波干扰引起的复杂气动热问题的热流测量。相比于同轴热电偶，量热计响应时间较慢，但对于较大热流，由于极大减轻了侧向传热的影响，测量精度较高。同轴热电偶对低量值热流(5~20 kW/m2)的测量性能较好，信噪比(SNR)较高。研究成果为开展高超声速低密度风洞稀薄流激波干扰气动热试验研究提供支撑。     

航天器可重复使用热防护技术研究进展与应用

新一代可重复使用飞行器对热防护系统提出了更高的要求,对于发展高超声速技术而言,可重复使用热防护系统设计至关重要,同时也面临着最困难的技术挑战。文章总结了可重复使用热防护系统可用的新型防热机制,综述了可重复使用航天器所采用的热防护系统的发展状态及典型飞行器应用现状,并阐述了新一代可重复使用热防护技术在设计与分析方法、验证与评价手段以及新型热防护材料等几个方面所面临的挑战。文章有助于更好的理解未来的高超声速飞行器发展中可重复使用热防护技术的发展方向。     

钝体前缘喷流热防护数值分析

高超声速飞行器飞行过程中面临严重的气动加热,将导致飞行器结构在高温作用下发 生破坏,因此必须采取必要的热防护措施。反向喷流热防护因具有可重复使用和防热效果好 等特点,适合用在未来的可重复使用航天器中,尤其适用于锐边缘结构的热防护。但反向喷 流的加入,使流场变的非常复杂,增加了飞行器壁面热流预测和气动力计算的难度。本文在 已有试验基础上数值模拟了反向喷流流场,模型为前端带喷口的钝头结构,自由来流马赫数 为3.98,反向喷流与自由来流的总压比分别取0.4、0.6和0.8。数值结果与试验结果拟合良 好,初步揭示了喷流热防护的防热机理,并在此基础上,定性分析了给定喷流秒流量下喷流 控制参数对降热效果的影响。
     

高超声速飞行器新型热防护机制研究进展

从气动热载荷的来源出发，介绍了基于流动控制、光辐射操控、原子重组、电子耗散等物理机制的新型热防护机制的原理和进展。分别从环境和材料两方面实现对流热、化学热和辐射热的主动调控，进一步分析了高超声速飞行器新型热防护机制发展的特点和不足，对该领域未来研究的重点方向提出了建议。     

高超声速飞行器主动气膜冷却热防护数值仿真研究

为研究高超声速飞行器头部全覆盖保护情况下的气动热分布特征,文章提出一种微孔射流的主动气膜热防护方案,并对射流微孔分布进行优化;通过数值求解N-S方程,得到高超声速飞行器头部的驻点压力及表面、附近温度分布。研究结果表明,在主动气膜冷却热防护下,高超声速飞行器壁面温度可以降到1000 K以下。该方案可为未来高超声速飞行器的外壳设计提供参考。     

非均匀热等离子体中磁流源辐射

本文从热等离子体模型出发。研究了在计及外加恒定磁场情况下,位于电子密度具有梯度分布的等离子体鞘套中磁流源天线的辐射特性,计算了磁流源天线激发出电磁波及等离子体波的辐射能流密度,同时讨论了鞘套中等离子体波的贡献。     

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。     

临近空间高超声速飞行器RCS特性研究

首次系统地对升力体外形临近空间飞行器雷达散射截面（RCS）特性开展了研究,主要研究内容包括本体及绕流RCS特性研究,亚密湍流尾迹RCS特性研究和层流尾迹的RCS特性研究等。结果显示：等离子体绕流将降低飞行器后向RCS;亚密湍流尾迹对低频段RCS影响明显,对高频段影响不明显。另外,双站雷达对临近空间高超声速飞行器也会有较好的探测效果。     

全尺寸全空域高超声速等效模拟器原理及概念设计

利用螺旋波电离加速并获得轴向速度约为5~10 km/s的等离子体束流,再经过电荷交换产生等速的定向高速气流。采用多束并联的工作方式模拟高速中性气流环境,实现对约0.5~3 m2的整个高超声速飞行器横截面积的覆盖,每一束气流的横截面积约为0.031 4 m2,其密度在1015~1021 m-3范围可调。基于多束并联工作原理的模拟器称之为全尺寸全空域等效模拟器,能够用于高超声速飞行器的气动力学、气动加热等的地面研究,所获得的测量数据更加符合实际飞行状态,也可以解决缩比模型实验的相似性原理差异等技术难题。     

超视距雷达探测高超声速飞行器可行性分析

在前期开展再入飞行器RCS（雷达散射截面）特性试验和理论研究的基础上，对典型临近空间高超声速飞行器RCS特性开展了研究，分析了绕流和尾迹对飞行器本体RCS特性的影响。研究表明等离子体流场在头身部绕流、近尾尾迹和部分远尾尾迹的最大电子密度将远高于电离层最高电子密度，更高于典型天波超视距雷达工作频段对应的临界电子密度。因而等离子体尾迹将会对3~30 MHz频段电磁波产生较强的散射，使得等离子体尾迹的RCS远远大于飞行器本体的RCS。利用临近空间高超声速飞行器尾迹RCS的这一特点，有可能实现对临近空间高超声速飞行器的超视距探测。     

飞行器结构部件导热/辐射耦合传热特性预测方法

采用数值方法求解气动热环境,基于蒙特卡罗方法求解内部空腔辐射换热及有限元方法求解三维导热,建立了沿弹道求解导热/辐射耦合的热响应预测方法,计算并获得了沿给定飞行弹道条件下的考虑内部辐射和不考虑内部辐射时的某高超声速飞行器结构部件的热响应特性。研究表明,所发展的耦合计算方法具有较高的精度和较好的工程适用性;考虑内部辐射时,结构部件局部最高温度明显低于不考虑辐射时,最高相差400K以上,且温度分布趋于均匀,温度梯度减小。相关研究对高超声速飞行器防热结构设计与优化具有重要参考意义。     

高超声速飞行器翼面前缘半主动金属热防护系统设计与分析

针对高超声速飞行器翼面前缘的热防护,文章设计了一种基于热管的半主动金属热防护系统。设计中使用工程估算方法预测了翼面前缘的气动热环境,并采用有限元法对高温合金翼面前缘结构进行了热固耦合分析和强度考核。分析结果表明:在马赫数为5~8的飞行状态下,热管可以有效地降低高超声速飞行器翼面前缘峰值温度达23%~31%,且呈现飞行马赫数越高则峰值温度降低幅度越大的趋势;同时热管还可以降低翼面前缘结构温差达90%以上,从而极大地减小由于温差而导致的热应变和内部应力。因此,将基于热管的半主动金属热防护系统应用于高超声速飞行器翼面前缘可以真正实现结构防热一体化,有助于获得较好的防热和减重效果。     

高超声速飞行器鼻锥迎风凹腔结构防热效能研究

对高超声速飞行器鼻锥使用迎风凹腔结构作为热防护系统时,凹腔结构的防热效能进行了数值研究。通过与相关实验对比,验证了本文数值方法的可靠性,获得了鼻锥的流场参数,外表面、凹腔内壁面的热流分布,分析了不同的凹腔尺寸参数选择对鼻锥冷却效果的影响。结果表明迎风凹腔结构能够有效的对高超声速飞行器的鼻锥尤其是驻点区域进行冷却,凹腔越深,其冷却效果越好。鼻锥气动加热的最大热流并不在尖锐唇缘的顶点,而是位于凹腔内的侧壁面上,凹腔的深度(L)变化对最大热流的出现位置影响很小。除非凹腔很浅(L/D<0.5),凹腔底面的热流值都非常小,基本可以忽略。     

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对“火星探路者号”（Mars Pathfinder）探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。     

1700℃高温、有氧及时变环境下隔热性能试验研究

针对高超声速飞行器面临极端高温热环境、飞行器外壳单侧面受热以及温度历程非线性时变的特点,自行设计并建立辐射式极端高温氧化环境下的单侧面试验加热装置,实现了1700℃高温有氧环境下对高超声速飞行器热防护材料的隔热性能试验测试。同时,对轻质陶瓷材料试验件和新型陶瓷、纳米材料复合结构在高达1700℃的高温氧化环境下的隔热性能进行试验测试,并对不同材料及其组合模式进行对比分析,优选高效能的隔热方案,发现陶瓷、纳米材料复合结构试验件比单层轻质陶瓷材料试验件的隔热效果提高了约50%。另外,生成了极端高温非线性时变热环境,并进行相应的隔热性能试验。通过建立极端高温、有氧、单侧面加热、非线性时变热环境试验系统及其实际应用研究,为高超声速飞行器的热防护设计提供重要的试验手段。     

高超声速飞行器外形热流密度分布计算的高精度方法研究

为提高高超声速条件下飞行器表面热环境的计算精度,发展了高精度算法WCNS-E-5,并开展了热流密度分布的数值计算研究.该算法采用的是五阶精度加权显式非线性格式,结合四阶精度的二阶偏导数差分近似、四阶精度的边界格式,同时还对网格偏导数及温度梯度也离散为四阶精度.通过求解三维Navier-Stokes方程,数值研究了高超声速飞行器外形如钝锥和双椭球体的物面热流密度分布.模拟结果表明,这种保证全流场高精度的WCNS-E-5得到的流场图像清晰、真实.与通常的二阶算法MUSCL对比,WCNS-E-5具有更高的流线分辨率,获得的热流密度更接近于实验测得分布.