耐高温复合材料的主动冷却实验和数值计算研究

高超声速吸气式发动机面临着严重的热防护问题,同时还存在着燃料和冷却剂不匹配的同题,必须使用耐高温材料与主动冷却相结合的冷却策略.针对一种使用陶瓷基耐高温复合材料的主动冷却模式开展了实验和数值研究,该多层材料主动冷却模式结合了主动冷却和耐高温复合材料的优点.基于这种主动冷却模式设计了一种多层材料组成主动冷却实验装置.利用燃气发生器提供的高热流环境对主动冷却实验装置开展了实验研究,并建立了一维非稳态复合结构的传热模型,模拟了不同材料组成的多层复合结构中的非稳态温度场.研究表明:基于C/SiC复合材料的多层材料主动冷却结构在高温高热流环境中的冷却能力较强,可以在使用较少冷却剂的条件下使发动机壳体内部的温度保持在可靠工作的范围内,说明使用基于耐高温复合材料的主动冷却模式是解决高超声速吸气式发动机热防护问题的新途径.     

多孔C/C材料发汗冷却实验研究

发汗冷却是解决高超声速飞行器关键部位热防护问题的有效方法,文章开展了以未完全致密化C/C材料作为多孔介质、水作为冷却剂的发汗冷却实验研究。设计并制备了发汗冷却平头实验模型,分别在热流密度1.1 MW/m2和1.45 MW/m2的氧-丙烷热结构考核条件下,通过测量模型内外壁温度响应,评估其发汗冷却速率。实验结果表明,冷却剂的引入极大地降低了模型内外壁温度,外壁面冷却速率高达8.8℃/s以上,未出现明显烧蚀现象。内壁面温度均保持在水沸点100℃以下,达到了可重复使用、耐长时加热的热防护要求,进一步表明了发汗冷却的巨大应用潜力。     

层板发汗冷却推力室传热分析

对于采用层板发汗冷却的推力室,为了最大限度地减少冷却剂流量,理想情况是,应根据不同轴向位置的受热情况来分配冷却剂流量,以使各处的壁面温度都控制在材料的许用温度内.本文运用有限体积法,对层板发汗冷却推力室内的燃气流动和壁面内的传热进行了数值模拟,同时通过调节冷却剂吹风比,使各处的壁面温度都控制在材料的许用温度之内.为综合...     

主动冷却超燃冲压发动机最大工作马赫数评估

采用主动冷却方式对超燃冲压发动机进行热防护是解决其长时间工作的有效措施。针对超燃冲压发动机燃烧室恶劣的热环境,设计了一种基于碳化硅陶瓷基复合材料的主动冷却结构,建立了发动机主动冷却结构设计的数学模型。引入发动机冷却液流量系数,从飞行器整体热防护角度出发,以发动机燃烧室主动冷却结构中冷却液的出口温度为依据来评价超燃冲压发动机可以达到的最大工作马赫数,以及分析发动机冷却液流量系数、飞行高度和燃烧室化学反应当量比对最大工作马赫数的影响。结果表明,增加冷却液流量系数、适当降低飞行高度、一定范围内提高化学反应当量比,可降低冷却液出口温度,从而提高发动机的最大工作马赫数。     

推力室多孔面板发汗冷却试验研究

为了研究液体火箭发动机推力室喷注器多孔面板发汗冷却特性,以缩比推力室挤压热试验的形式开展了多孔面板发汗冷却特性研究,试验采用常温气氢对喷注器多孔面板进行发汗冷却。发汗冷却试验共进行5次,燃烧室压力为3.9～7.6 MPa,燃烧室氢氧混合比为2.8～7.2。研究结果表明在本试验研究状态下面板燃气侧温度为680～830 K...     

采用液体喷射实现固体发动机主动冷却的探索研究

为寻找固体发动机热防护的新途径,开展了固体发动机液体喷射主动冷却的探索性研究。组建了1套固体发动机液体喷射主动冷却试验系统,开展了原理试验。水作为冷却工质,沿收敛段壁面喷射,试验中对内壁面和外壁面处的温度进行了测量。试验结果表明,冷却工质的引入大大降低了发动机收敛段内壁面的温度,但会造成一定比冲损失;冷却工质参与做功,发动机推力有所增加。建立了液体冷却固体发动机的性能计算模型,并用试验结果进行了校验;根据试验得到了冷却效能估计经验公式。     

空天飞行器热防护系统热短路与控制问题研究

空天飞行器盖板式热防护系统(TPS)中存在支架热短路、缝隙辐射热短路问题。用有限元分析软件ABAQUS对这两种情形进行了热分析,结果表明,在再入段典型热载荷下,机体蒙皮各局部的最高温度值相差最大超过100K,机体蒙皮存在局部烧坏的危险。在热防护系统中加入了具有控制热流走向功能的散热片后,结果显示,支架热短路中蒙皮最高温度降低了90.18K,降幅达17.32%,板间缝隙底部最高温度降低了67.97K。在蒙皮局部烧坏危险点上方,散热片很好地控制了热流走向,使热量得到面内方向的分散,机体蒙皮温度分布更加均匀,局部烧坏问题得到了改善。     

层板发汗冷却的应用及其冷却特性分析

本文在回顾层板发汗冷却应用的同时,展望了层板发汗冷却的应用前景。针对层板发汗冷却的特点,推导了其数学模型,并编程上机计算。用国外试验数据验证了模型和程序具有一定的精度,计算结果可信。对液氧作发汗液的情况进行了计算,较详细地分析了层板材料、层板厚度及发汗流量对冷却特性的影响。本文所提模型,所编程序和结论可用于层板发汗冷却结构的设计。     

可重复使用航天器金属热防护系统的结构优化进展

根据美国开发的金属热防护系统,分析了用于可重复使用航天器的金属热防护系统的发展和现状,详细介绍了几代金属热防护系统的总体结构、高耐热蒙皮结构、绝热结构的不断演化和设计的优化进展。并且从结构装配方面,阐述了单个金属热防护系统结构、多个金属热防护系统结构以及金属热防护系统与刚性结构的装配设计的优化发展,为工程在结构设计和优化方面提供一定的参考依据。     

某膨胀循环发动机推力室冷却结构流场仿真分析

为了研究某膨胀循环氢氧发动机推力室冷却结构流场分布特性,进行了单根冷却通道和完整冷却通道结构的三维CFD分析。仿真计算过程中,以单根通道模型的仿真结果作为完整通道结构模型流场仿真分析的边界条件之一,并考虑了材料物性参数随温度或压力的变化。分析结果表明:1)仿真预测的温升、压降与热试验实测值吻合,该推力室冷却通道流量相对偏差范围为-4.8%~6.6%,由此造成喉部气壁温的环向偏差为33 K;2)集合器管内流体的环向流动压差、法兰起分流或汇聚作用时拐弯效应形成的压力波动是造成冷却通道流量不均匀分布的主要原因,出口集合器内的压力分布对通道流量分布起主要作用;3)提高通道流量均匀性的措施可以从增大出口集合器管径或采用变管径设计、采用扩口型法兰并设置弧形导流片、集合器的进、出口法兰布置在同一环向位置等方面进行考虑。     

针栓式推力室冷却特性试验研究

针栓式发动机具有推力调节简单、声学燃烧稳定性好和成本低廉等一系列优点,但目前对针栓式推力室的冷却特性掌握还不够深入,研制过程中曾多次出现因推力室冷却组织不好而烧蚀的问题。采用针栓式推力室试验件,对身部的冷却特性进行了深入研究,结果表明:推力室圆柱段前端的温度较低,无需采用专门的冷却措施;末端内侧气壁温度会达到约1650℃,局部存在明显的烧蚀现象,必须采取有效的热防护措施;下游冷却液膜量的变化对圆柱段的冷却特性影响较小。     

液氧/煤油高压推力室液膜冷却环局部过热分析

液氧/煤油发动机高压推力室采用了多条液膜冷却环带技术。由于室压高和热流密度大,易出现冷却环带结构局部过热现象,局部过热（甚至局部烧蚀）有时发生在燃烧室收缩段的冷却环上沿。传热计算和对比分析表明,在降低边区混合比的同时,第一冷却环带流量增大25%,可使过热处气壁温下降约35℃。采取增加冷却环带流量、降低燃烧室边区混合比、改善液膜冷却局部喷注结构等措施有利于燃烧室壁面的热防护,可防止局部过热的发生。     

推力室多孔面板氢发汗冷却传热分析

为了研究氢氧火箭发动机推力室喷注器多孔面板的发汗冷却特性,采用一维非热平衡能量方程模型对其进行了数值传热计算,计算模型考虑了冷却剂氢的变物性和多孔结构内固体与流体之间的对流换特征。分析总结了多孔结构固体导热率、孔隙率、颗粒特征直径和燃烧室热流密度等因素对多孔面板发汗冷却的影响。研究结果表明,选择较高导热率的多孔面板制造材料能够降低燃气侧面板温度和减小面板温度梯度;孔隙率一般在0.1～0.2为宜;随着颗粒特征直径增大冷却剂与多孔结构固体之间的换热能力明显下降,燃气侧面板温度呈先降低后升高的趋势。     

液体火箭发动机液膜冷却研究综述

液膜冷却是液体火箭发动机的一种重要的冷却方式,具有冷却结构简单、冷却能力强等优点,一般与其他冷却方式结合,实现对发动机的冷却。液膜冷却对发动机的热防护可靠性和发动机比冲均有重要的影响。通过追踪国内外液膜冷却研究现状,从液膜的形成、中心气流对液膜的夹带作用、液膜冷却分析模型以及液膜冷却对发动机性能的影响等方面,梳理了液膜冷却的研究文献,总结了当前研究中存在的不足,并从冷却剂注入结构、中心气流对液膜夹带特性、液体火箭发动机液膜冷却计算方法和推力室冷却结构/技术方案等方面提出研究展望。     

发汗冷却喷管在火箭发动机上的应用

较系统地介绍了发汗冷却的机理和发汗冷却研究的发展历程，说明了发汗喷管不同研究阶段的典型结构，并重点阐述了可望很快应用于工程上的发汗喷管结构，同时列出了发汗喷管计算中关键技术－热量交换的有关数学模型和各参数的取值。指出了近期需要开展的工作。     

辐射器冷屏辐射热分析

文章主要对辐射器冷屏进行了传热设计。由于冷屏翅片的长度和厚度决定翅片的两端温差,因此对翅片结构尺寸进行了优化设计,并且通过有限元方法对热设计结果进行进一步校核分析。对比计算结果表明：两种设计计算结果基本吻合,能够满足设计要求。     

空间天文望远镜主动制冷焦面结构设计、分析与热实验

对某天文卫星的可见光望远镜载荷CCD焦面工作温度需求进行了分析计算。为满足CCD焦面 -65℃ 的工作温度需求,设计了主动制冷焦面结构。采用有限元方法分析了工作温度下热电制冷器和导热胶产生的热应力,结果表明热电制冷器最大应力为14Mpa,导热胶最大剪切应力为1.2Mpa,均处于许用安全应力内。研制的焦面组件模拟件顺利通过了真空热试验,验证了焦面组件的制冷性能与安全性。     

纳米孔材料中辐射热传递的改进——扩散近似法计算

用可燃的烧蚀材料作为主动的承热层,用不可燃的多孔材料作为被动的隔热层,是当今一次性使用航天器最普通的一种热防护形式,然而对可重复使用的航天器来说,这种防热结构显然不适用.但是如果把烧蚀层改为金属薄壁或多层金属热防护系统,在不增加很多质量的情况下,能保证航天器主结构在允许的温度范围,则可能是一种很好的设计.在此情况下,隔...