可重复使用热防护材料研究进展

具有轻量化、耐高温、高抗损伤、重复使用、易于维护等性能的热防护材料是空天往返飞行器的关键材料,影响飞行器的先进性、可靠性、维护性和经济性。本文针对可重复使用飞行器机身大面积、头锥、翼前缘以及控制面等部位所需的热防护材料,综述了刚性隔热瓦、柔性隔热毡、抗氧化C/C、C/SiC、TUFROC等可重复使用热防护材料的发展历史、研究现状及在飞行器上的应用情况。总结了高温服役过程中典型热防护材料的损伤及性能衰减行为,并提出以材料损伤为基础,研究材料的可重复使用性能及寿命预测方法。最后,提出研制高性能可重复使用热防护材料、发展热防护材料可重复使用理论方法与标准、建立可重复使用热防护材料数据库是该领域今后需要重点关注的方向。     

高速飞行器热防护技术概述

热防护系统是保护高速飞行器不受气动加热影响的主要手段，是高速飞行器不可或缺的重要组成部分。概括介绍了高速飞行器热防护系统的类型，主要包括五种类型的热防护结构和五种类型的热防护材料。对作用于高速飞行器热防护系统的多种因素进行了分析，阐明了高速飞行器热防护技术的发展方向。     

高超声速飞行器热防护技术研究进展和趋势分析

热防护技术是决定高超声速飞行器设计成败的关键要素。高超声速飞行器不同部位将承受不同的力、热载荷,需选择不同的热防护方案。以HTV-2、X-37B和NASA的亚轨道运输飞行器为例,系统介绍三类典型高超声速飞行器采用的热防护方案,并揭示了热防护技术的最新进展。未来,材料工艺技术的发展和创新型热防护方案的研发,将进一步提升热防护系统的技术成熟度和适用范围,为各类高超声速飞行器的设计研制提供重要的能力保障。     

载人飞船返回舱的烧蚀防热

载人飞船返回舱的烧蚀热防护技术研究和试验表明，碳化烧蚀材料是再人飞行器最有效的热防护层。对典型的碳化烧蚀体的热性能的预测分析攻计算方法作了阐述。数值计算结果分别与电弧风洞试验和阿波罗的飞行验证试验作了比较，结果符合得很好。     

飞行器用热防护材料发展趋势

综述了飞行器热防护材料的发展历史,重点介绍了典型非烧蚀热防护材料体系,并根据新型飞行器对于热防护材料的需求,对未来热防护材料发展趋势进行了分析。     

航天飞行器热防护系统及防热材料研究现状

随着航天技术发展,飞行器的飞行速度更快,服役环境更加恶劣,有效的热防护系统是保证飞行器安全飞行的关键系统之一。本文综述了被动防热系统、主动防热系统和半被动防热系统3类热防护系统在航天飞行器上的应用现状,重点介绍了金属基复合材料、碳基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料和气凝胶材料,5类防热材料在航天领域的应用发展情况,并提出了航天飞行器未来热防护的发展趋势。     

空天飞行器机翼/翼型的需求分析及应用

空天飞行器飞行空域大,速域宽,经历亚/跨/超/高超声速飞行,气动特性变化大,传统翼型难以同时满足低速、高速时的设计要求,给机翼/翼型设计提出了新的挑战.本文围绕飞行环境特点,分析了低速高升力与高速高升阻比、升重匹配、结构热防护等设计要求,提出了空天飞行器对机翼/翼型设计的新需求.基于一种新的宽速域翼型,采用数值模拟方法,开展三维流动下翼型与机翼平面形状的一体化优化设计,获得了一种翼型沿展向变化的新机翼,相对优化前,低速时机翼产生的升力效率提高了36.3％,超声速和高超声速升重平衡升阻比分别提高了33.4％和12.9％,新机翼能更好地兼顾低速、跨声速、超声速和高超声速气动性能的要求.将新机翼应用于典型空天飞行器,再通过全机气动外形优化设计,进一步提高了宽速域飞行时升重平衡下的使用升阻比,高亚声速时提高了5.9％,超声速时提高了10.3％,高超声速时提高了0.7％,解决了低速飞行时高升力与高速飞行时高升阻比的需求矛盾,并获得了一种满足宽速域总体设计要求的空天飞行器气动布局.研究成果具有一定工程指导意义.     

高超声速滑翔飞行器表面加热特点研究

高超声速滑翔飞行器具有高机动和远程快速到达能力,是高超声速技术应用的前沿领域。快速准确地预测飞行器表面受热变化特征,对高超声速滑翔飞行器热防护系统设计十分重要。以基于锥导乘波构型的高超声速滑翔飞行器和跳跃飞行弹道为研究对象,对其表面不同特征区域的加热开展了快速预测方法研究;采用选用方法分析驻点辐射平衡温度随飞行弹道的变化规律;在弹道特征位置上针对飞行器前缘及上、下表面的加热情况进行分析,获得高超声速滑翔飞行器受热的整体特征,可为分区域选择热防护措施提供参考。     

热防护设计分析技术发展中的新概念与新趋势

热防护材料/结构是实现临近空间飞行器高速飞行的一项关键技术,近年来一些新的设计与分析方法不断涌现。本文对这些新的设计与分析方法进行了论述,综合分析后可以看出:热防护材料设计开始从原子、分子尺度出发,根据使用需求设计材料,并发展主动防护与控制环境技术;热防护结构设计在原有防热/承载一体化设计基础上,向多元化以及多功能一体化方向发展,同时积极发展新机制热防护概念设计;热防护分析方法更加注重复杂真实服役状态下多尺度、多物理场及非确定性的精细化分析。这些新概念和新技术有望给热防护技术带来革命性的进步。     

高超飞行器尖前缘材料发展及相关气动热试验

回顾了高超声速飞行器建立的几种热防护系统,简要分析了吸气式发动机高超声速飞行器尖前缘的热环境特点及相应防热材料发展的趋势,介绍了近20年来美国在吸气式发动机高超声速飞行器相关研究中所开展的Hytech、X43A及NGLT等三个研究项目,重点介绍这些研究项目中尖前缘材料的发展以及进行的气动热试验.     

接触热阻对疏导式热防护结构防热效果的影响

采用内置高温热管的疏导式热防护结构是一种新型高效的热防护方式,热管与高温复合材料之间的接触热阻(TCR)对防热效果有重大的影响。首先给出了一种疏导式热防护结构的计算模型,进而采用间接耦合的方法建立了由接触热阻引起的热力耦合问题的计算格式,在此基础上对不同预留间隙条件下的热防护结构进行了热力耦合分析,重点考察了接触热阻对其防热效果的影响。研究结果表明,采用预留装配间隙的方法可以有效降低结构的应力水平,但同时使得界面接触热阻增加,从而使得结构驻点温度升高,因此在采用预留间隙设计时必须在考虑界面接触热阻的条件下从结构强度和温度两方面对结构进行安全性评估。     

基于导热性能的复合材料微结构拓扑优化设计

基于均匀化理论和拓扑优化技术,提出了复合材料稳态导热性微结构构型的设计方法。根据均匀化理论给出的周期性材料微结构(单胞)等效导热系数的计算公式,结合有限元分析手段对单胞的等效导热系数求解;定义设计区域内微结构每个单元的导热系数为伪密度设计变量,约束材料用量,分别以材料微结构某个方向导热性能最好为目标和宏观结构的散热性能最佳为目标;采用实体各向同性惩罚函数法(SIMP)构造单胞拓扑结构优化数学模型,导出材料等效导热系数的灵敏度计算公式;采用凸规划对偶求解与周长控制约束相结合进行拓扑优化并获得了优化的微结构构型,数值算例结果验证了所提出的拓扑优化方法可以有效地进行复合材料微结构的导热性能设计。     

远地点发动机热防护模型

针对多参数、强热耦合发动机热防护模型修正的难题,通过分析系统的传热特点,提出热环境分级、热参数分类的单参数调试方法。通过分析传热关系,将系统分为两级热环境;在每级热环境中仅调节几个参数,减少了调试工作量。通过分析热阻网络,确定了待定参数;通过分析参数的影响程度,确定参数的修正顺序。以具有代表性的两颗导航卫星为研究对象,利用I-DEAS TMG软件对发动机热影响过程进行仿真。调试结果表明:热模型的精度控制在2℃以内,提高精度后的热模型可用来验证、指导热控设计。单参数调试方法的原理基于各参数对不同部件的影响程度不同,可经有限次调试快速获得高精度、稳定的结果。单参数调试方法可用于解决工程实践中的多参数耦合问题。      

飞机整体瞬态热状况的数值仿真研究

 在分析飞机内外热环境的耦合传热机制基础上，建立了描述飞机整体瞬态热状况的物理数学模型。引入壁面热流函数，将飞机蒙皮外的气动对流与辐射换热作用转化为舱内热分析的浮动热边界条件，实现了飞机内外耦合热作用的解耦计算，避免了难以实现的直接耦合求解。采用区域分解技术，将飞机整体分解为特性不同的多个求解区域。采用蒙特卡罗法求解舱内设备之间的辐射换热，采用热网络法求解设备内部及各设备之间的辐射-导热-对流耦合换热。利用该方法对某型飞机飞行过程中的瞬态热状况进行了数值模拟，获得了飞机舱内的瞬态温度场，分析了相关因素的影响，为飞机设计及相关研究提供了重要依据。     

超燃冲压发动机支板热环境及热防护方案

在超燃冲压发动机工作过程中,支板前缘的热环境非常恶劣。本文研究了超燃冲压发动机支板前缘的热环境,得到了热载荷分布。提出了支板前缘金属结构再生冷却方案、耐烧蚀材料热防护方案和气体喷射热防护方案,并对这三种方案的热防护效果进行了数值模拟。数值模拟的结果表明,金属结构再生冷却方案无法对支板进行有效的热防护;耐烧蚀材料方案可以在飞行马赫数8以下起到很好的热防护效果;而当马赫数大于8时,则只有气体喷射方案可以实现有效的热防护。      

热障涂层厚度及厚度不均热无损检测的数值模拟

研究了热障涂层(TBC)厚度及厚度不均的红外热无损检测(IRTNDT)的建模和基于有限单元法的数值模拟。在柱坐标系下以轴对称模型描述热障涂层结构的瞬态热传导,建立相应的物理模型及有限元模型。用有限元分析软件ANSYS计算涂层结构受热脉冲激励后的温度场,研究热无损检测可检信息参数(如最大温差和最大对比度)与厚度特征参数(厚度差和厚度)的关系。结果表明,在涂层公称厚度一定时,最大温差和最大对比度与厚度差呈非线性关系,它们随着厚度差的增大而增大;在涂层厚度差一定时,最大温差和最大对比度与涂层公称厚度呈非线性关系,它们随着涂层公称厚度的增加而减小。利用计算所得的可检信息参数与厚度特征参数的关系可以反向估计陶瓷层厚度差和厚度。这些研究结果为热障涂层厚度及厚度不均的红外热无损检测及表征提供了基本理论依据。     

热环境对飞行器壁板结构动特性的影响

 高超声速飞行器在巡航或再入过程中面临着严酷的气动力/热/噪声等复合环境,对热防护系统结构的完整性和耐久性提出了严峻挑战。热环境下的动特性是进行结构动态响应分析和优化设计的基础,本文对四周简支的飞行器热防护系统金属加筋壁板热动特性进行了分析,使用有限元软件NASTRAN建立分析模型,基于理论和有限元方法获得了壁板结构热屈曲临界温度,研究了热环境对固有振动频率和固有振型的影响,对比分析了均匀和非均匀温度场对结构模态的影响。结果表明,壁板结构在热环境下易发生屈曲,热模态分析中需考虑热屈曲、大位移变形等因素。同时证实热环境对壁板结构动特性影响较大,结构的固有振动频率随热环境下弹性模量的降低而减小,热应力对结构的固有振动频率和振型都有影响,当温度场分布改变时,固有振动频率的变化规律基本相同,固有振型则不同。     

磁悬浮反作用飞轮热设计方法与实验研究

 作为新型航天器姿态控制执行机构,磁悬浮反作用飞轮工作在高真空环境下且转子完全悬浮,使得热量不易散出,故需要对飞轮进行温度场计算并进行热优化设计。为此,提出一种有限元与热网络模型相结合的优化热设计方法:首先利用有限元法计算温度场分布;然后对不符合温度要求的部件建立热网络模型,分析影响温度的因素,提出优化措施。该方法具有计算精度高、优化速度快的特点。将该方法应用于某样机的热优化设计中,使飞轮的最高温度由121.6 ℃降到了52.7 ℃。对经热设计前后的两台磁悬浮反作用飞轮的实验研究证明了热设计的正确性,从而为磁悬浮飞轮系统的结构设计和热设计奠定了基础。     

可重复使用热防护系统设计要求与设计方法浅析

对高速飞行器可重复使用热防护系统的设计方法进行研究,综合分析了国外热防护系统设计思想及设计准则的发展演变,总结了国外热防护系统定尺寸分析方法,指出高超声速飞行器热防护系统设计中应考虑的关键问题,对可重复使用热防护系统的设计有一定参考意义。     

结构热动力响应分析有限元方法

传统的热应力分析是把热载荷当作静态或者准静态载荷来处理, 在工程实际中如果温度的变化非常剧烈, 则该方法不能满足需要, 本文提出了一种结构在动态热载荷 (包括热冲击)作用下响应的有限元求解方法, 算例表明该方法是可行的、正确的。