电弧风洞热/透波联合试验技术研究及应用

介绍了在电弧风洞上发展的一种新型试验技术。针对某型飞行器,了解其在飞行条件下天线窗烧蚀透波特性对于了解及掌握"黑障"问题及通信信号特点至关重要。在电弧风洞内开展热/透波联合试验考核是地面试验考核的最佳选择,但存在若干技术难点。为此在电弧风洞开展热/透波联合试验技术研究,使用半椭圆喷管,改进进气方式,提升能量利用率;改进电弧加热器结构解决了铜离子对测试的干扰;设计定向天线,在关键部位布设吸波材料解决了试验段内微波反射问题;将收发天线均置于试验段内部,保证天线同频振动,解决了风洞启动时天线抖动导致的信号波动;设计水冷箱体解决了天线窗口长时间气动加热下天线的热防护问题。经试验验证,研究内容是有效的、成熟的、可行的。目前该技术已成功用于指导在电弧风洞上开展的数项试验。     

电弧风洞加热条件下聚四氟乙烯烧蚀热响应特性

高温加热条件下,由于聚四氟乙烯的热解,对烧蚀温度场计算结果有较大影响,为了提高聚四氟乙烯烧蚀温度场计算精度,建立了聚四氟乙烯烧蚀温度场计算方法,对电弧风洞加热条件下聚四氟乙烯表面烧蚀热响应特性进行了验证研究。理论计算和试验测量结果对比表明:230～323℃升温区间内,随时间增长,温度逐渐升高,理论计算与试验测量结果变化趋势一致;323～680℃升温区间内,随时间增长,试验测量温度逐渐升高,理论计算温度为定值,理论计算与试验测量结果存在一定偏差;680～390℃降温区间内,随时间增长,温度降低,理论计算高于试验测量值,这与理论计算烧蚀量存在偏差有关。采用聚四氟乙烯材料烧蚀温度场计算方法,可以有效模拟高温加热条件下聚四氟乙烯热响应特性,从而为产品设计提供参考。     

旋转爆震发动机燃烧室壁面烧蚀热防护研究

为了研究碳化烧蚀材料对旋转爆震燃烧室的被动热防护作用效果,建立了旋转爆震燃烧室热环境计算模型和多层复合壁一维烧蚀热响应分析模型。基于旋转爆震燃烧过程的数值模拟,确定了沿燃烧室轴向的壁面平均温度与热流的分布特征;针对典型的壁面热负荷输入条件,采用动边界隐式差分格式,对碳化型烧蚀材料的烧蚀过程和传热过程进行了耦合计算,分析了碳化层剥蚀、热解热、热解气体质量流率、材料厚度等因素对燃烧室壁面热防护效果的影响。研究结果表明,旋转爆震燃烧室温度和热流密度分布不均匀,斜激波扫掠区域热负荷更为剧烈;碳化层剥蚀后会使烧蚀材料的烧蚀率增加,壁面温度迅速上升;增大热解热及热解气体质量流率都有利于延长工作时间、降低壁面温度; 旋转爆震燃烧室不同区域的烧蚀有一定差异,增加烧蚀材料厚度无疑有利于壁面热防护,但是在实际应用中应综合考虑壁面重量和空间尺寸。     

碳—酚醛烧蚀和热响应的理论分析与工程计算

本文分析了碳-酚醛的烧蚀机理和内部热响应特性,讨论了碳纤维的氧化、升华和碳-氮反应。指出热解气体注入边界层的作用主要是增加热阻塞效应和改变壁面组元浓度。热解气体流过材料碳层,起着降低碳层内部温度的作用。基于烧蚀机理和热响应特性的分析,给出了碳-酚醛烧蚀和内部热响应的理论计算方法,计算结果分别与固定状态和模拟再入轨道的变状态的电弧加热器的烧蚀和内部温度的试验结果作了比较,两者符合甚好。     

再入钝锥体烧蚀热防护内部热响应的数值仿真

研究了烧蚀热防护系统内部热响应的计算模型和计算方法.采用碳化层-热解面-原始材料层模型,建立碳基材料内部热响应物理模型和数学模型,利用有限元法分析和计算再入目标热防护系统轴对称内部热响应.着重研究和分析了轴对称烧蚀过程中热解气体质量流率计算方法和传热机制.将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过保证刚度矩阵和形函数矩阵的正定对称性可以加速温度场计算收敛.计算表明:热解气体的质量流量主要由厚度方向构成,占80%以上;头部驻点附近最大烧蚀厚度接近10mm,需要采用抗烧蚀能力强的碳-碳材料,身部烧蚀量小于2mm,可以采用密度较小的碳-酚醛材料.      

电磁波在等离子体高温气体中传输特性实验研究

针对高超声速飞行器头身部形成的等离子体鞘套对通信的影响,在中国空气动力研究与发展中心的粉末激波管上开展了电磁波在等离子体高温气体中传输特性的实验研究。实验中获得了等离子体气体中的电磁波透射率、电子密度和碰撞频率。实验结果表明：X波段和Ka波段电磁波在高激波马赫数Mas=16.1、1区气体压力P1=1200Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体高温气体中能量衰减大于30dB,难以传输;X和Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=15.9、1区气体压力P1=80Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体高温气体中能量衰减大于30dB,难以传输;X波段和Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=10.1、1区气体压力P1=80Pa的激波管实验状态下产生的高温等离子气体中平均传输损耗较小,可以进行有效传输;Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=8.9、1区气体压力P1=1200Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体气体中平均传输损耗小于1dB,可以进行有效传输。实验得到的等离子体高温气体中的电磁波透射率、电子密度和碰撞频率与理论计算值基本一致。     

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。     

微纳粒子对高硅氧/酚醛烧蚀性能的影响

利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪及其分析软件,对含有纳米碳粉、碳纳米管、复合碳纳米管、微米级磁性铁粉和不含微纳粒子的高硅氧纤维增强酚醛树脂复合材料的烧蚀表面进行了测试和分析,研究了材料的烧蚀特性与所引入的微粒子高温结构性能的对应关系.结果表明,微纳粒子自身的高温结构稳定性直接影响材料的烧蚀性能,含有高温结构稳定的纳米碳粉、碳纳米管、复合碳纳米管的试样,其烧蚀性能较不合微纳粒子的试样有明显提高,烧蚀表面粗糙度也有显著改善;含有高温结构稳定性差的微米级磁性铁粉试样的烧蚀性能较不含微纳粒子的试样明显恶化,烧蚀表面的粗糙程度明显增大.其机理是高温结构稳定的微纳粒子通过自身的耐高温特性及其对材料结构的增强作用提高了材料抵抗了高温气流冲刷的能力.     

典型激光波长对纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响

为研究532nm和1064nm两种典型激光波长对纳秒脉冲激光烧蚀铝靶冲量耦合特性的影响,在建立的热传导模型和羽流膨胀流体动力学模型基础上,加入了在激光烧蚀过程中靶材吸收系数、热导率和反射率等光学和热物理参数的变化,考虑了形成的等离子体羽流对入射激光的屏蔽作用因素影响,从而建立了一个复杂的一维纳秒激光烧蚀铝靶冲量耦合物理模型。通过计算,获得了两种激光波长辐照下,烧蚀过程中烧蚀参数和物理参数的变化,分析等离子体羽流对入射激光的屏蔽效应,进一步分析得到对冲量耦合特性的影响。结果表明:短波长激光不仅有利于激光与靶材的能量耦合,同时,短波长激光辐照下形成的等离子体羽流对短波长入射激光吸收率也较低,有利于提高靶的冲量耦合;在等离子体形成初期,即等离子体吸收率较低时,分别达到两种激光波长辐照下的最优冲量耦合。     

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的工作环境面临高温、高压、高速燃气流和大量凝聚相颗粒的烧蚀和冲刷,对材料的抗烧蚀性能和热结构特性要求十分严格。因此,从烧蚀实验和热结构特性实验研究、热结构特性预测与气体-颗粒两相流数值模拟三个方面,论述了轴编C/C复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展。总结讨论了实现真实烧蚀工作环境的模拟和影响烧蚀实验参数的控制是高温烧蚀实验的难点,对于铝颗粒添加下工况的烧蚀实验和在细观尺度下热结构特性参数的测定实验是重点;提出从实验件类型、实验系统设计和对比有无铝颗粒添加下的工况进行烧蚀实验;提出采用一种热稳定性材料取代界面的实验方案进行热结构特性参数的测定实验。在热结构特性研究的细观尺度方面,组分材料之间的界面对热结构特性的影响有待深入研究,提出在代表性体积单元模型的基础上引入温度的周期性边界条件来实现热结构参数的预测。在气粒两相流数值模拟方面,发动机内不同相之间相互耦合作用以及对轴编C/C复合材料的机械侵蚀是数值模拟研究的难点,提出使用SDPH-FVM耦合的方法去解决内流场燃烧流动的问题,进一步可用来揭示内流场燃烧流动机理。     

几种低密度烧蚀材料热膨胀性能的测试及研究

热膨胀性能是评价低密度烧蚀材料的的重要参数，针对低密度烧蚀材料的一些特殊性，对测试装置进行了改造并研制了大试样线胀系数测试装置，对四种低密度烧蚀材料进行了系统的测试并对材料性能做了一些分析研究工具。     

新型等离子体电扫描八木天线的关键技术研究

提出了一种新型等离子体电扫描八木天线,研究了基于等离子体的电扫描八木天线的关键技术。通过对等离子体半波振子的仿真,研究了等离子体半波振子天线的辐射性能、隐身性能和等离子体对电磁波的反射和吸收作用。通过实验测试了等离子体中电子密度,制作了一款等离子体电扫描八木天线原理样机．并进行了测试。     

S-70C型直升机雷达天线整流罩喷涂探讨

1.材料分析 S-70C型直升机雷达天线整流罩要求透电磁波,因此,采用非金属材料玻璃钢制件.这种材料具有强度高、易成形、透波性好、价格低等优点,但极易吸湿.吸湿使玻璃钢强度及模量降低,导致雷达天线整流罩电性能下降,影响雷达和设备的正常工作.     

套筒式等离子体周期结构电磁特性研究

为分析研究等离子体色散媒质在周期结构中对电磁波的作用机理,设计一种在二维方向上周期排列的内外双层套筒式柱体结构单元,对不同的等离子体密度组合和周期间距下进行仿真分析。结果表明,改变内外层等离子体密度可以有效调节传输频带,且在不改变单元结构的基础上通过便捷开关等离子体激发湮灭状态,进而对单元的周期间距进行间接调控,拓宽了传输频带,体现了等离子体动态重构的可行性,对研究等离子体周期结构具有一定的启发性。     

带补偿加热的GH4169间的接触热导测试研究

针对航空发动机热端部件的材料特性和工作环境特点,自主研制了带有补偿加热装置的高温、高压接触热导(TCC)测试系统.设计使用纯铜作为热流计材料,使其对于热导率不明确或随温度变化较大的高温合金同样具有较好的适用性.针对航空发动机热端部件常用结构材料GH4169/GH4169在不同界面压力(60～180 MPa)和不同界面温...     

飞行器热天线热电联合计算方法

为了研究高温环境对热天线电性能的影响,提出了一种热电联合计算方法,通过三维热、电信息传递程序实现不同温度区域介电性能的空间加载,以此关联温度场与电磁场网格节点信息,实现温度场-电磁场耦合问题的联合计算。介绍了热电联合计算方法的原理与思路,并以某型热天线为研究对象,考查天线温度分布对电性能的影响程度,为飞行器热天线的精细化设计提供了途径。该方法可应用于热透波结构的高温电性能分析,尤其对于恶劣热环境下的热天线/天线罩设计具有较高的应用价值。     

基于再入轨迹和气动热环境的返回舱烧蚀研究

针对再入全过程合理预测热防护罩表面材料烧蚀深度和温度的动态变化问题,提出融合再入轨迹、气动热以及Newton-Raphson和三对角矩阵算法（TDMA）构建动态烧蚀的方法。该方法建立直入式和跳跃式三自由度再入轨迹,应用修正的牛顿流体理论估算气动参数,以及修正的Fay-Riddell和Sutton-Grave理论计算驻点区域的热流密度,利用一维非线性热传导方程模拟了热防护材料的烧蚀过程。仿真结果表明：此方法实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度和温度连续动态变化的预测,同样适用于更为复杂结构飞行器的动态烧蚀预测,与热平衡积分法（HBI）相比其结果可靠合理,为进一步优化热防护系统（TPS）提供了一定的参考依据。     

一种轻质烧蚀结构一体化材料

针对某产品的防热需求,研究了一种轻质烧蚀结构一体化材料,对其坯料(材料A)的热处理制度及预固化程度进行了研究,确定了最佳的热处理温度和时间;对材料A成型得到的轻质烧蚀结构一体化材料(材料B)的拉伸性能和热物理性能进行测试,通过电弧风洞对烧蚀性能进行考核,并对烧蚀后材料的纵向密度分布进行了分析。结果表明,添加一定的处理剂可提高材料的拉伸强度和断裂延伸率,处理剂可有效增强材料各组分的界面结合强度;材料B的热扩散率比材料C(中密度)低,在中高热流状态下,材料B烧蚀表面碳层完整致密,与材料C相比,线后退率略大,质量损失率略小,背壁温度较低,材料B具有更好的烧蚀隔热性能。     

飞行器尖化前缘的热结构特性

在分析尖化前缘热环境特性的基础上,给出了尖化前缘相应的热结构特性的计算和分析,分析结果表明：尖化前缘热流密度在2～3个自由程内下降到原来的1/3,而表面温度仅有10%的下降;高热导率的防热材料可降低前缘的最高表面温度,对非烧蚀热防护十分有利,它还可提高后部的表面温度,增加辐射散热的力度,这是非烧蚀热防护的重要机制.     

等离子体涡电磁散射特性及隐身性能

 针对非均匀等离子体在飞行器隐身中的应用,采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分（PLJERC-FDTD）方法计算等离子体涡及涡串电磁散射特性,分析等离子体涡对飞行器隐身性能影响。计算表明,等离子体涡在很大频率区间对电磁波吸收效果显著,RCS降低很大,具有明显的隐身效果。等离子体涡表现出一定规律性的极化特性,对L,S和C波段电磁波具有不同的吸收、反射特性。