高超声速气膜冷却技术研究进展及发展方向

随着飞行器速度的进一步提高以及对可重复使用飞行器的需求,高超声速气膜冷却技术已经成为航空航天技术发展的热点问题。开展高超声速飞行器主动气膜冷却技术研究,对于解决高超声速飞行器面临的热防护问题,突破防热技术瓶颈,有十分重要的意义。本文在对主动冷却热防护技术原理、分类及其机制进行系统研究的基础上,从实验研究和数值模拟两个维度,对二维槽缝气膜孔工艺、离散气膜孔工艺和高超声速逆向喷流技术等高超声速气膜冷却技术以及影响气膜冷却效果的因素的研究现状进行了梳理和分析,进而提出了高超声速气膜冷却技术的防热材料研制、材料制备工艺、多气膜孔特性实验研究、逆向喷流气膜孔冷却技术实验验证等研究方向。     

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

用气膜冷却来防止热斑引起的涡轮叶片过热

为了防止燃烧室出口热斑引起涡轮叶片过热，通过求解二维非定常N-S方程研究了热斑对高压涡轮一级叶片型面压力和温度的非定常影响，并对气膜冷却这种热防护方法进行了尝试。计算结果与公开发表的实验数据基本吻合。结果显示热斑的存在对涡轮级型面压力影响微小，但是会导致动叶型面特别是压力面的温度显著升高并随时间大幅波动。在动叶压力面鳃区引入气膜冷却对型面压力和热斑在涡轮级内的运动影响不大，但可以有效地阻隔高温热斑与压力面的直接接触，并显著降低壁温和减小温度随时问波动的幅度。     

自然形高空气球上升过程形状预测

为研究高空气球在上升过程中的形状变化以及蒙皮应力分布情况，并给气球的结构设计以及强度设计提供一定依据，本文建立了气球上升过程中的热力学模型，同时基于高空气球蒙皮材料具有非线性、黏弹性、各向异性和不能抗压等特点，通过简化气球几何模型，采用最小势能法预测自然形高空气球上升过程中的形状，并分析了气球上升过程中的应力分布情况，气球的应力极值出现在气球顶部和底部，而经向应力的数量级远大于纬向应力；还对比了不同充气量下、不同时刻下气球形状及应力分布情况，为气球设计及工程应用提供了有效计算 方法。     

Successes and challenges in non-destructive testing of aircraft composite structures

Composite materials are increasingly used in the aerospace industry. To fully realise the weight saving potential along with superior mechanical properties that composites offer in safety critical applications, reliable Non-Destructive Testing (NDT) methods are required to prevent catastrophic failures. This paper will review the state of the art in the field and point to highlight the success and challenges that different NDT methods are faced to evaluate the integrity of critical aerospace composites. The focus will be on advanced certificated NDT methods for damage detection and characterization in composite laminates for use in the aircraft primary and secondary structures.     

狭缝斜肋内冷通道流动和换热特性的数值研究

为了探究狭缝斜肋的流动和换热特性,进一步挖掘传统斜肋的性能,采用数值模拟的方法,研究了五种不同位置和倾斜角度的狭缝对45°斜肋流动和换热特性的影响,计算的进口雷诺数为2×104～8×104,并与传统的实心肋进行了对比分析。结果表明,狭缝的存在显著改变了冷却通道的流动结构以及换热分布,降低了冷却通道的阻力损失,减小了通道整体的强化换热系数,但同时增加了肋片表面的强化换热系数,且狭缝的位置和倾斜角度的不同对通道性能也存在一定的影响。对比综合热效率,狭缝斜肋相比实心肋增加了约12%～15%。     

薄膜蒸发稳定器在超级燃烧室内贫油点熄火特性

为了实现涡轮基组合循环发动机燃烧室工作条件下的火焰稳定性与点火要求,首先在超级燃烧室工作条件下定性地分析了两相混气中薄膜蒸发稳定器的稳定机理和燃油蒸发过程。其次,在二元试验段内对Ma=0.1~0.4,T=450~600K的来流条件下对薄膜蒸发稳定器的贫油点火和贫油熄火性能进行试验研究。研究结果表明:相同Ma下,贫油点火当量比与贫油熄火当量比随温度的升高而降低;温度相同时,两相混气中的贫油点火当量比受燃油蒸发的影响较大。通过顺喷和逆喷两种供油方式的试验对比研究发现,雾化槽供油在较高Ma数和较高温度下具有优越的点熄火性能,能够满足涡扇冲压组合发动机燃烧室的使用要求。     

涡轮动叶凹槽状叶顶传热特性和气动性能的不确定性量化研究

基于非嵌入式多项式混沌展开方法,结合Smolyak稀疏网格技术与Sobol Indic方法构建了涡轮动叶凹槽状叶顶传热特性和气动性能不确定性量化分析系统。研究并量化了几何参数叶顶间隙和运行工况参数主流进口总温与气膜冷却吹风比不确定性对涡轮动叶凹槽状叶顶气热特性的影响。不确定性分析结果表明：在考虑叶顶间隙与主流进口总温和吹风比不确定性的情况下,叶顶换热量 基本符合正态分布。 的统计均值相对于设计值增加13.56%并且其偏离设计值10%的概率高达65.68%。相比叶顶尾缘区域,叶顶前缘部分的换热量对不确定性输入更加敏感。前缘区域的叶片壁面换热量 的不确定性明显大于尾缘部分。在叶顶间隙与主流进口总温和吹风比不确定性的影响下,0-80%轴向弦长区域内叶顶总压损失系数存在微小偏差,但在80%轴向弦长以后区域总压损失系数的不确定性偏差会达到约50%。敏感度分析的结果表明主流进口总温是叶片换热性能不确定性的主导变量,其对 与 不确定性的贡献分别为93.87%和98.32%。叶顶气动性能的不确定性则完全由叶顶间隙控制,其对叶顶总压损失系数不确定性的方差占比高达86.44%。与主效应相比,各变量间的二阶交互效应对叶顶气热性能的影响几乎可以忽略不计。     

空间用硅太阳电池带通滤波器的研究

为改善硅太阳电池在轨工作期间的性能,通过对空间用太阳电池带通滤波器结构设计和制备工艺的研究,研制出一种空间用硅太阳电池的带通滤波器并对其性能进行了测试,结果表明,采用该带通滤波器可使硅太阳电池在轨工作温度降低6°C～12°C,输出功率增加1.8%～4.1%.带通滤波器的研制对于促进高效硅太阳电池的空间应用具有积极意义.     

气膜出流条件下回转通道换热特性实验研究

为了研究气膜出流对回转通道的影响,将回转通道的一个壁面在出口通道上开气膜出流孔,其中回转通道为带有90°直肋的变截面通道。并且将通道分成若干特征单元进行结果分析。结果表明:气膜出流加强了带气膜出流孔壁面的换热,减弱了相对的无气膜出流孔壁面的换热。而且对于整个单元而言,存在最佳的出流流量比使单元的整体换热效果最好。