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。     

1700°C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。     

1700℃有氧环境下高超声速飞行器轻质防热材料隔热性能试验研究

文章针对高超声速飞行器需面临极端高温有氧热环境以及舱体表面单侧面受热的特点,建立了由硅钼发热体作为热源的红外辐射式超高温、时变、单侧面加热试验测试系统,开展了高达1700℃的有氧环境下高超声速飞行器轻质防热材料的隔热性能试验。另外,为了研究和优选高效隔热方式,对高超声速飞行器用单层轻质陶瓷隔热材料和陶瓷/纳米材料叠层复合结构在1700℃高温有氧环境下的隔热特性进行了试验测试;通过试验结果的对比分析,发现陶瓷/纳米材料复合叠层结构比单层轻质陶瓷材料的隔热效果提高近50%。     

小尺寸高温透波盖板双温区边界隔热性能试验研究

针对小尺寸高温透波盖板迎风面和上表面需同时满足不同热环境的要求,研究使用一组红外辐射加热试验设备,同时进行双温区边界条件下的非线性气动加热环境等效模拟试验。在辐射换热条件下,考虑试件结构导热及周围介质换热影响,采用数值模拟方法对试验方案进行可行性分析。参照计算结果,使用石英灯高温辐射加热设备,对试件进行隔热性能考核试验,完成了双温区边界条件下的热环境加载试验。试验数据与数值模拟结果吻合度较好,验证了数值模拟方法的可信性和有效性。     

充气式再入与减速系统用柔性热防护材料高焓风洞试验研究

为考察充气式再入与减速系统用柔性热防护材料的真实性能,文章根据前期的技术基础和各材料的技术参数,确定了柔性热防护材料的结构组成,并研制了热防护材料试验件进行高焓风洞试验。结果表明:所研制的材料能够承受热流密度为25 W/cm~2、持续时间最长达300 s的高温环境;Nextel氧化铝织物作为防热层在超过1200℃下能够有效阻隔热流;无机隔热毡起到了有效的隔热作用,可确保内部Kevlar织物处于250℃以下的环境中。材料满足一定的轻量化要求,试验后整体力学性能稳定,热防护性能不受折叠和缝纫工艺影响。     

高硅氧/酚醛复合材料热变形实验测试及表面烧蚀形貌分析

通过非接触式高温变形测量系统,对高硅氧/酚醛防/隔热复合材料在单侧热流载荷作用下的温度和全场高温变形进行了精确测量,并对试样体积烧蚀后的表面微观形貌进行分析。实验结果表明,利用陶瓷板在1 000℃左右对高硅氧/酚醛复合材料试件辐射加热200 s后,通过测量发现距离加热面12.62 mm处热电偶温度峰值为259℃,从而说明高硅氧/酚醛复合材料具有优良的防/隔热性能。通过DIC方法测得试样加热200 s后沿加热方向的最大位移为0.18 mm,且沿着试样加热方向位移呈现出逐渐递减的规律。通过对材料烧蚀后表面形貌微观观测和分析,发现在试样加热面上出现了凹凸不平的烧蚀坑,并出现了一层很薄的高硅氧纤维高温熔融后的硅氧化合物颗粒结晶状物质。     

运载火箭柔性防热材料隔热性能的试验研究

为获知运载火箭二级飞行段尾舱用柔性热防护材料的隔热性能,设计了热真空试验方案,采用石英灯加热器模拟辐射热源,在真空罐内开展了辐射热环境下材料隔热性能的试验研究,得到防热材料内外表层温度测点在20 kW/m2热流下保持800 s时间的试验数据;分析不同材料(组合)的隔热性能及其差异产生的原因,给出辐射热环境下热防护结构的选材建议。在本试验工况下,2层玻璃纤维带+2层硅橡胶布+2层镀铝薄膜的组合可使其内部温度降低到192℃,低于电缆正常工作上限(200℃),满足防热要求。试验结果可为今后的运载火箭在大气层飞行段内的防热设计提供参考。     

C/SiC材料在模拟空天往返条件下的可重复使用性能评估

针对飞行器空天往返、多次使用的发展需求,以2D C/SiC材料为对象,选择开放大气模拟环境、800 ℃温度条件开展了常/高温拉伸试验、以及常温→高温→降温循环变化历程下拉-拉疲劳的耦合试验,得到不同的力学性能规律,分析了影响材料表面涂层完整性的控制因素及转化点。表明C/SiC材料具有优良的高温静态持续强度性能,但在常-高温循环变化历程下的疲劳性能明显衰减。采用剩余刚度衰减模型,提出了力-热-氧耦合时考虑常-高温循环历程影响因素、以及氧化尺寸效应影响的疲劳剩余性能评估方法。     

SiC/CVD SiC复合涂层的抗氧化及抗热震性能研究

为了提高C/SiC复合材料耐高温性能,采用泥浆浸渍裂解与真空化学气相沉积(CVD)在材料表面制备了SiC/CVD SiC复合涂层,通过XRD、SEM分析了涂层组成与结构;研究了复合涂层的高温抗氧化(700～1 500℃)和抗热震性能。结果表明,泥浆浸渍法制备的SiC涂层具有一定的封孔效果,可使材料开孔率下降,但高温抗氧化效果并不佳,1 200℃氧化10 min后材料弯曲强度保留率下降明显仅有86%。CVD SiC涂层结构致密,与SiC封孔涂层结合较好,在700～1 500℃具有较好的抗氧化效果,随着氧化温度的升高,氧化后涂层完好,表面O元素逐渐增加,材料失重率缓慢增加但不大于0.5%,且材料性能并未下降。涂层材料在1 200℃-10 min短时热震5次后材料弯曲强度保留率仍有95%以上,且未出现开裂、剥落等热震损伤。在1 200℃-30 min长时热震10次后,涂层材料基本被完全氧化,材料失去保护作用,弯曲强度下降至90%左右。     

超高强高韧马氏体时效钢热变形及航天应用研究

对于航天用超高强高韧C300马氏体时效钢来说,热加工过程中获得等轴细小的再结晶晶粒是实现该钢强韧性最佳匹配的关键环节。采用Gleeble-3800热模拟试验机在温度为850～1 150℃、应变速率为0.01～10 s~(-1)的条件下,对超高强高韧C300马氏体时效钢进行高温轴向压缩变形试验,获得了高温流变曲线,并观察变形后的金相组织。结果表明:C300马氏体时效钢的流变应力和峰值应变随着变形温度的升高和应变速率的降低而减小;试验钢在真应变为0.92、应变速率为0.01～10 s~(-1)的条件下,随着变形速率的提高,其发生完全动态再结晶的温度也逐渐升高,最佳热变形温度区间为1 050～1 150℃;测得试验钢的热变形激活能Q值为391.2 kJ/mol,建立了其热变形本构方程。结果能为C300马氏体钢的数值模拟和热加工工艺的制定提供理论基础。     

某航空相机载荷舱热分析与热设计

航空相机的热控设计需要解决流动与传热的耦合问题。文章提出某航空相机载荷舱在复杂飞行环境中上升、巡航、下降全过程的热分析及热设计方法：确定载荷舱热分析数据流,采用专业热分析软件、流体计算软件计算辐射外热流、气动外热流,以及等效对流换热系数沿壁面分布情况及与马赫数的变化关系。将热环境赋予载荷舱热分析模型,通过热分析软件与自开发程序迭代对载荷舱两个极端工况进行了仿真分析。结果表明,据此设计的光学窗口内表面温度高于露点温度10℃以上,得到的载荷舱热分析结果满足热控指标要求,热设计方案合理可行。     

光子晶体热控结构防护性能研究

光子晶体在红外波段同时具有高反射率和高辐射率,可作为高超声速飞行器的防热材料。文章利用FLUENT软件和辐射模型中的离散坐标算法对有/无光子晶体防热层结构进行了气动加热数值模拟计算,得到了在不同热流密度条件下基体的温度分布;通过计算结果的对比发现,采用光子晶体防热层结构使基体温度下降约360～515 K,具有良好的热控性能。光子晶体是一种具有广阔应用前景的热防护材料,作为高超声速飞行器的防热层结构的可行性与有效性还有待深入研究。     

充气式返回舱气动热特性研究

文章针对航天器返回实时性和经济性的需求,以充气式返回舱为研究对象,研究该飞行器从空间站返回过程中的气动特性,重点分析气动热特性。文章通过引入分子运动论、Kemp-Riddell方法、Linear桥函数等计算方法,建立起该飞行器在自由分子流区、过渡流区和连续流区高超声速情况下的表面热平衡方程,得出了该飞行器返回过程中的驻点热流密度和驻点壁面温度。计算分析了该飞行器最大直径D1和半锥角α等几何尺寸对其气动热特性的影响,得到在一定范围内增大D1和α可以有效减小驻点热流密度和驻点壁面温度,并研究在峰值加热高度附近70km、80km处不同马赫数下的气动热特性。在此基础上,依据热防护系统材料和布局,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,分析了结构材料层的温度变化特性。     

温度交变环境下防热结构胶层厚度设计

再入返回式航天器飞行过程中,在轨温度交变环境下防热结构胶接热应力一直是航天器可靠性设计的关注內容恼乱浴爸忻芏确廊炔牧?硅橡胶-金属“”的胶接结构作为对象,针对典型的低地球轨道温度交变环境,选取±100℃/5个循环环境作为分析条件,用ANSYSWorkbench建立了结构有限元分析模型,考察了不同胶层厚度对于结构热应力及热变形的影响。基于有限元计算结果、热应力理论及胶接工艺分析,给出了温度交变环境下防热结构的胶层厚度设计结果.该有限元模型分析方法可为防热结构热匹配特性研究和设计提供基础依据。     

宽范围热流密度丝状加热装置的设计仿真与试验研究

为满足航天器热试验对宽范围外热流模拟的需求，设计研发了一种“随形式”丝状加热装置。该套装置基于铠装加热丝设计，可根据产品不同的形状和表面状态加工，该套丝状加热装置理论上可实现20～1500 W/m2的宽范围热流密度的模拟；在真空低温条件下实际测试其稳态温度控制精度在±0.35 ℃以内，温度稳定性在±0.7 ℃以内，热流不均匀度优于2.5%。     

气动加热与热响应耦合分析及试验研究

文章介绍了Ma（马赫数）＜6的飞行器典型部位的气动加热与热响应耦合分析及试验验证技术。气动加热计算模块采用的是工程算法,同时将其集成到自主开发的结构有限元三维温度场计算ASTSA软件平台上,实现了气动加热与热响应耦合分析功能。在结构地面热试验方面,成功研发了全方程热流密度PLC控制热模拟试验系统,并利用该系统进行了高速飞行器结构气动加热与热响应耦合地面模拟试验。试验与数值分析的结果对比显示,二者吻合较好,验证了本数值分析方法的正确性。     

轻型高强Al-Si/SiC复合材料反射镜的制备与性能

文章采用反应烧结工艺制备 Si/SiC 材料,然后通过真空扩散渗铝工艺制备了 Al-Si/SiC 复合材料。通过精确调控浸渗合金的铝浓度使制备的Al-Si/SiC复合材料具有可控的热膨胀系数,利用该工艺制备出热膨胀系数连续可调（4.6×10-6K-1~8.7×10-6K-1,0~40℃）的 Al-Si/SiC 复合材料,其力学性能优异,经检测密度为2.86g/cm3,弹性模量为236GPa,断裂韧性为6.1MPa＆#183;m1/2,可采用线切割、铣磨、钻孔、攻丝等手段加工,相比SiC陶瓷材料更易于高精度机械加工。扫描电子显微镜分析表明,制备的Al-Si/SiC复合材料均匀、致密,光学抛光后表面粗糙度均方根值达到1.017 nm。各项测试数据表明, Al-Si/SiC复合材料作为反射镜可以满足空间光学的应用。     

高超声速导弹多场耦合仿真

为准确预测高超声速导弹气动力与气动热环境，采用分区求解方法，实现气动力/热/结构多场耦合计算，并通过与试验值对比确立了耦合仿真方法的有效性。建立大长细比高超声速导弹仿真计算模型，对导弹弹体结构变形、温度场和压力场进行了数值模拟。仿真结果表明：弹体结构随着攻角增加发生轴向拉伸和横向弯曲；拉伸变形主要由气动热引起，弯曲变形主要由气动力引起；导弹头部气动热与气动力载荷大；耦合效应随着导弹攻角增加更加明显，造成导弹气动热力学环境更加严酷。     

利用红外加热笼进行低热流模拟的 设计方法研究

在航天器热平衡试验中,散热面区域的低热流密度要求往往难以实现。在以往的试验中,考虑到加热笼覆盖系数对热流密度均匀性的影响,通常选用红外灯阵作为主要的外热流模拟装置。但是红外灯阵体积和热容较大,形状适应性不强,对试验容器空间要求较高。文章利用仿真的手段研究了加热笼的覆盖系数对热流密度均匀性的影响,探讨了利用红外加热笼进行低热流模拟的可行性。