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。     

高焓化学非平衡流条件下C/SiC复合材料的催化性能

碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）成为最有希望满足临近空间高超声速飞行器热防护要求的耐高温关键材料之一,其在高焓化学非平衡流条件下的催化性能是评估新一代高超声速飞行器表面气动热载荷,热防护系统精细化设计的关键参数。基于1 MW高频等离子体风洞,采用已建立起的防热材料催化特性试验测试方法开展了C/SiC材料在驻点压力分别为1.0、1.8、3.3和6.0 kPa,焓值为19.3~35.9 MJ/kg范围内的高焓离解空气环境下,在表面温度为1 453~2 003 K范围内的表面催化反应复合效率随表面温度和表面原子压力的变化关系研究。试验结果表明：C/SiC材料在高温条件下的表面催化复合效率应该同时被定义为表面温度、驻点压力和原子分压的函数。根据试验所得到的催化数据,计算了采用C/SiC作为钝头体材料的美国某典型飞行器（飞行高度H=73 km,飞行速度U=6.478 km/s,钝头体半径R_n=410 mm）的气动热环境参数,获得了考虑完全催化和有限催化条件下飞行器表面温度变化历程,结果进一步验证了飞行器热防护系统所承受的气动热载荷以及表面温度响应在很大程度上受到防热材料表面催化特性的影响。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

高焓化学非平衡流条件下防热材料表面催化特性的试验方法

通过对高焓化学非平衡流场参数高精度重构和试样表面参数测试方法的研究,在1 MW高频等离子体风洞上建立了防热材料(Thermal Protection Materials,TPMs)表面催化特性测试的试验方法。应用该方法研究了二氧化硅材料在驻点压力分别为2.7、5和10kPa,焓值为13.9~21.9 MJ/kg的高焓离解空气环境下,表面温度为1 563~2 003K范围内的表面催化反应复合效率随表面温度和原子压力的变化关系。对比国外文献,该试验结果与国外研究结果一致,表明该试验方法是正确、可靠的。同时,高焓化学非平衡流条件下防热材料表面催化特性试验方法的确立将为高超声速飞行器热防护系统的优化设计和新型防热材料性能改进提供有力的技术支撑。     

一体化热防护结构传热分析及防热特性研究

正高超声速飞行器已逐渐成为各国航空航天领域发展的重要方向,高超声速飞行器的气动加热问题是限制其发展的一个重要问题,被称为"热障",热防护系统对高超声速飞行器至关重要。高超声速飞行器的热防护系统的主要作用,是在高超声速气动热力的环境下保证飞行器内部结构的温度维持在一定的范围内,确保结构的安全,热防护系统的研究对高超声速飞行器的发展和应用具有重大意义。常见的热防护系统有以下几种形式:吸热式热防护系     

壁面催化对高超声速飞行器气动特性影响

针对高超声速流动中的高温真实气体效应,采用数值模拟求解三维N-S方程的方法研究了壁面催化对高超声速飞行器气动特性的影响规律。研究发现:对于文中所选两类高超声速飞行器———大钝头CEV再入飞行器和仿HTV2高升阻比升力体飞行器,壁面催化对表面压力影响均较小,对剪切应力的影响在飞行器不同部位表现不同:在头部和前缘等强压缩区域,壁面催化对表面剪切力影响明显,在大面积和背风区位置,壁面催化对表面剪切力影响微弱。这是因为壁面催化使得具有更大惯性的大分子气体在近壁处聚集,从而导致更高的速度梯度。由于大钝头外形波阻在整体气动特性中占优,而高升阻比外形头部强压缩区域面积较小,头部强压缩区域剪切力对整体气动特性贡献较小,最终体现为壁面催化对整体气动力影响微弱。     

高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法

发展了一种无黏流场解与工程计算方法相结合的高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法。该计算方法结合了三维块结构网格无黏流场数值计算技术可处理复杂外形流动的优点与工程计算方法效率高的特点,将气动热的计算简化为绕飞行器的无黏外流(边界层以外)数值解和边界层内热流求解两个部分,同时耦合了防热结构传热计算模型、高温化学非平衡热效应估算方法以及弹道状态动态插值方法,可用于快速计算与分析三维复杂外形高超声速飞行器在弹道飞行状态下全机热环境参数、防热结构内温度场等随飞行时间的变化特性。以RAM-CⅡ、类Ⅹ-37B等典型高超声速飞行器为研究对象,在设定的飞行条件及热防护方案下,进行了气动加热与结构传热问题的求解,给出了全机表面热流密度与防热结构材料温度的时变特性。结果对比表明,所发展的方法具有快速、高效的特点,且计算精度可满足工程设计初期选型需求,可为高超声速飞行器的热防护系统初期设计及热环境特性快速计算分析提供技术支持。     

临近空间高超声速飞行器表面非规则缝隙流动及传热特性研究

高超声速飞行器表面的缝隙会对其整体的气动传热和烧蚀特性产生重要影响,研究缝隙内部流动与传热机理对高超声速飞行器热防护系统的设计具有重要意义。针对临近空间高超声速飞行器表面缝隙的非规则变形问题,在热流梯度集中处构建倾斜式形变边界,并采用非结构网格DSMC方法对其内部的流动和传热特性进行模拟,分析非规则形变对缝隙内部涡旋流动及传热特性所造成的影响。结果表明:倾斜式非规则变形会同时产生高温引流和加速导流作用,而高温引流会大幅提高缝隙底部的气动热负荷,是缝隙底部热防护的难点问题。     

高超声速气动热预测技术及发展趋势

高超声速气动热预测技术是高超声速飞行器发展的关键技术之一。对高超声速气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨。首先,简要回顾了国内外高超声速气动热理论预测及地面实验技术的发展历程;在此基础上,结合典型外形的计算与风洞试验结果的比较,重点介绍分析了气动热工程计算方法、数值模拟方法、气动热风洞试验设备的模拟能力及目前实验测试技术的研究水平;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了气动热预测技术应研究解决的问题。     

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.     

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

1 500℃极端高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料热/振联合试验

远程高超声速飞行器处于极为恶劣的气动加热与振动耦合环境中,长时间的高温与振动载荷相互叠加会导致飞行器热防护材料出现裂纹、错位、剥离或脱落,甚至会引发致命的安全事故。因此热防护材料在极端高温环境下的地面热/振联合试验测试,对于高超声速飞行器的安全可靠性设计极为重要。建立高温与振动复合试验环境,设法解决轻质多孔隔热材料在强振动下,表面温度难于准确测量与控制的难题,制作水冷式隔热装置保护价格昂贵的振动激励设备等,实现了1 500℃高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料的热/振联合试验。得到非金属隔热材料陶瓷纤维板内部的断裂形貌及裂纹断面特征。根据试验前、后材料的表观及微观变化以及内部结合剂的变化等试验结果,对材料进行改进。经过试验测试后,达到了使用要求。本文建立的1 500℃极端高温环境下的热/振联合试验系统及试验结果为远程高超声速飞行器热防护材料的抗振动能力评估、隔热效果确定以及材料性能的改进提供了重要支撑。     

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.     

高超声速飞行器瞬态热试验

为了进行高超声速飞行器热防护系统的初步设计和数值计算的验证,设计开发了高超声速飞行器瞬态气动加热地面试验系统及其控制软件.试验系统能够根据飞行器的飞行轨迹和外形参数加载瞬态热流,实时测出结构表面的热流值和温度,得到飞行器的表面试验热流曲线和温度曲线.试验系统采用真空舱模拟飞行环境,并为此设计了冷却床,在真空环境下能比较真实的模拟热防护系统的下表面热环境,使瞬态热试验的原理更加合理,精度进一步提高.      

可重复使用热防护材料应用与研究进展

可重复使用热防护系统是为高速重复使用飞行器而发展的关键性技术,涵盖了地球大气环境及非地球大气环境下的弹道式再入、高马赫数巡航等应用场景。根据现有高马赫数飞行器热防护现状,对高马赫数飞行器的主要热防护系统类型、特点和使用场景进行了简要介绍。在此基础上,结合国外里程碑式可重复使用飞行器（X-15、SR-71、航天飞机、X-33、X-37B、Spaceliner等）,梳理了可重复使用热防护材料的应用与研究进展,论述了代表性可重复使用热防护材料的发展、性能、研制进度、特点及应用前景。对国外在可重复使用热防护材料研制中的设计及发展思路,以及所存在的主要问题进行了总结归纳,为可重复使用热防护材料未来的发展提供了思路。     

大气压条件下高焓空气等离子体流场特性及应用

评估和鉴定高超声速飞行器防热材料使用性能,需要在能够模拟飞行气动热环境的高焓设备中进行大量地面试验。详细介绍了一种能够运行在大气压条件下的电感耦合等离子体设备,该设备能够产生多种气体（空气、氮气、二氧化碳、氩气）的等离子体射流,运行功率范围为27~85.5 kW,最大运行效率可达77.9%。通过对30 mm的亚声速喷管出口8 mm处空气等离子体流场参数高精度重构和发射光谱测试研究,获得了气体温度和光谱发射强度沿径向的分布,等离子体的焓值范围为8.54~22.2 MJ/kg,驻点热流最高可达721 W/cm²。选定2个试验状态对典型防热材料C/SiC进行烧蚀氧化考核试验,并通过与国内外同类设备比较,表明该大气压感应耦合等离子体设备达到国际先进水平,完全具备开展高超声速飞行器防热材料性能改进地面模拟试验的能力。     

高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究

为了准确预测高超声速飞行器面临的严峻气动热/力环境以及结构的热力响应,发展了高超声速流动与结构传热耦合框架。采用分区求解方法,通过耦合界面的实时数据传递,实现了基于Navier-Stokes方程的高超声速化学非平衡计算流体力学（CFD）求解器与结构的热力全耦合有限元法（FEM）求解器的多场耦合计算,建立了高超声速飞行器的多场耦合数值分析方法。首先对经典高超声速圆柱绕流实验进行了耦合计算,结果与实验值吻合良好。然后针对典型的超高温陶瓷（UHTC）材料的耦合传热问题进行了数值研究,考虑热传导效应对气动热环境和结构热响应预测的影响,结果表明对于复杂外形且热导率相对较高的UHTC材料,结构内部热传导对热环境和表面温度分布的影响不可忽略。最后针对UHTC材料热物性（比热和热导率）非线性对高超声速流动传热过程的影响进行了研究,结果表明当比热和热导率处于合理的误差范围内时,材料表面温度响应对其变化并不敏感。     

不同热边界对超音速机翼气动热数值分析的影响

飞行器在超音速飞行时受到的气动加热效应给结构强度及热防护设计带来极大影响，且真实状态下的气动热环境需要考虑外流场与结构的耦合及内壁面边界条件的影响。采用S-A湍流模型求解Navier-Stokes方程，通过流场与固体壁面交界处的信息传递，实现外流场与结构场的耦合数值分析。针对三种不同翼型的超音速绕流气动加热进行耦合数值研究，对比翼型内壁面在不同热边界条件下的气动热效应，结果表明：不同翼型具有与气动力相似的的气动热效应；内壁面考虑对流换热的边界条件最接近真实；考虑机翼燃油箱满油时，三维机翼前缘驻点处热流密度最高可达4200w/m2。     

树脂基复合材料长时间烧蚀防热的应用研究

介绍了不同再入飞行器热防护材料的特点，指出长时间飞行器对防热层的要求。通过纤维织物改性和树脂基体改性研制了新型防隔热材料，并进行了性能测试和研究。结果表明：新型改性纤维／酚醛复合材料比传统的树脂基防热材料具有更好的隔热性能和抗烧蚀剥蚀性能，能够满足中低焓值、较低热流、烧蚀时间较长（300～700s）防热部件的防隔热要求。