返回舱/空间探测器热防护结构发展现状与趋势

针对中国天地往返和深空探测领域对热防护结构的需求，综述了国内外返回舱和空间探测器热防护材料/结构的发展现状，着重介绍了包括蜂窝增强热防护材料、纤维增强热防护材料、组合式热防护结构以及展开式热防护结构等在内的代表性热防护材料/结构的设计理念和性能特征。在系统总结热防护结构发展趋势的基础上，分析了返回舱和空间探测器热防护结构发展中存在的关键问题，可以看出：纤维增强热防护材料在热防护结构重量方面表现出了突出优势，材料拼接设计成为结构发展的重要阻碍；组合式热防护结构设计在现有材料发展水平的基础上，将成为提高热防护结构效率的有力途径；展开式热防护结构有望使航天器有效载荷重量显著提升，但受限于柔性热防护材料性能和结构工艺，仍有待发展。更加频繁的天地往返运输和深空探测项目的开展必将对热防护结构发展产生巨大的推动作用。     

硅橡胶基防热涂层动态烧蚀行为及机理研究

针对两种典型硅橡胶基防热涂层开展高温燃气流烧蚀实验，通过对烧蚀后涂层的宏观及微观形貌分析，探讨了其防隔热机理及烧蚀模型。研究结果表明：烧蚀后两种涂层均存在液态层、陶瓷层、热解层以及原始层；烧蚀过程中甲基苯基硅橡胶涂层主要发生主链“回咬”成环反应，导致树脂基体交联密度降低，力学性能下降，涂层外表面发生开裂，甲基乙烯基硅橡胶涂层则主要发生侧基交联反应，使树脂基体交联密度上升，促进涂层发生陶瓷化转变；热辐射、热容吸热、热解反应吸热以及热阻塞效应为四种主要的热耗散机制，质量损失产生的原因主要包括反应气体释放以及气动剪切力导致的机械剥蚀。     

喉衬热结构数值分析

本文采用变分原理有限元法计算喉衬内部的温度、热应变和热应力分布及其随时间变化,并给出计算程序框图。与解析解相比,温度及应力计算具有相当的精度,工程计算亦取得良好效果。     

杂质对尾流化学动力学和电子密度的影响

本文研究杂质对尾流化学动力学与电子密度的影响。这种影响是通过把杂质(Na、H_2O、F_2、C_2F_4)加入到空气尾流中,进行数值模拟计算而获得的。化学体系是由26种粒子,35个化学反应组成的。为了独立地判断各类化学反应(杂质)的作用,把复杂的化学体系分解为由简到繁的九个化学子体系,它们是:Air、Air-Na、Air-F_2、Air-C_2F_4、Air-C_2F_4-F_2、Air-H_2O-Na、Air-F_2-Na、Air-C_2F_4-Na、Air-C_2F_4-F_2-Na。计算结果表明,杂质对尾流电离起着明显的影响,特别是Na,它能使纯空气尾流电子密度增加1～3个量级。另外也表明,与Air-F_2子体系一样,Air-C_2F_4子体系的电子衰减的主要机理是F_2、F对电子的吸附反应,该反应产生大量F~-离子,同时清除了尾流中大部分电子。     

烧蚀材料与耐烧蚀酚醛树脂

综述了烧蚀材料的概况，介绍了航天飞行器和固体火箭发动机采用的三种隔热方法。烧蚀法是最广泛应用的一种方法，纤维增强塑料作为烧蚀材料在吸热效果上具有显著的优越性。文中对烧蚀材料的类型，使用原则和评价方法作了说明。对烧蚀材料中的高聚物的烧蚀性能作了对比，结果表明：酚醛树脂具有较好的综合烧蚀性能。对检索到的烧蚀酚醛树脂的文献作了分类和简要介绍，说明了烧蚀用高聚物的发展方向及作者本人在烧蚀酚醛树脂方面的进展。     

C/C喉衬热化学烧蚀的高维不确定量化分析

为了定量化地评估SRM喷管喉衬烧蚀这一复杂物理化学过程中,不同因素相互制约或激励对喉衬烧蚀整体情况产生的耦合影响,并探寻影响喉衬烧蚀率的关键因素,应用自主研发的高维不确定量化算法,有效解决“维度灾难”问题,研究了燃烧室压强、燃气比热比等７个因素对烧蚀的耦合影响规律,并通过全局敏感度分析技术探究了不同关键因素对烧蚀率变化的贡献程度。研究发现:就烧蚀模型物理机制本身而言,影响烧蚀率的关键因素为燃气比热比、喉部马赫数和燃气温度;考虑实验实际中相关物理量的不确定性输入后,燃烧室压强由于自身较大的不确定度输入成为影响烧蚀率的首要因素。     

双脉冲固体发动机燃烧室EPDM绝热层烧蚀性能实验研究

双脉冲发动机工作时燃烧室内部热环境复杂,对内绝热层设计提出很高要求,但对双脉冲发动机燃烧室内EPDM绝热层的烧蚀性能研究较少。为此,本文提出了工作时间为15s和两次点火工作时间为7.5s+7.5s的发动机实验方案,以研究双脉冲固体发动机燃烧室内EPDM绝热层的烧蚀性能。采用SEM电镜扫描、微米CT测试分析获得了烧蚀试件的表面宏观形貌、炭化层表面和断面微观形貌以及炭化层三维构型;利用测厚仪测量结果计算了试件的烧蚀率。结果表明,在总工作时间相等的情况下,双脉冲发动机中EPDM绝热层的烧蚀率比传统发动机大;与传统发动机中单次热冲击下烧蚀后试件相比,双脉冲发动机二次热冲击下烧蚀后试件的炭化层厚度减小约50%,总体孔隙率增大约13%;烧蚀表面致密层的致密程度也有所减小。双脉冲发动机工作时,EPDM绝热层的烧蚀性能在二次热冲击下发生较大变化,需在燃烧室内绝热层的设计过程中予以重视。     

存在烧蚀的高超声速压缩拐角流动数值研究

耦合求解热化学非平衡流控制方程和烧蚀壁面边界条件,进行存在石墨烧蚀的压缩拐角流场数值模拟。流场化学反应采用16组元(N2,O 2,NO,N,O,NO +,N+2,O +,N+,CO,CO 2,C,C2,C3,CN,e-)29个反应的非平衡模型,热力非平衡的双温度模型下,不同反应采用不同控制温度。石墨材料表面反应包括碳的氧化反应、碳催化的O 原子复合反应和碳的升华反应。对15°、18°、24°压缩拐角模型,在自由流 Ma =10~30,总焓值6~55 MJ/kg 范围,分别进行无烧蚀的壁面催化与非催化条件和石墨烧蚀条件下的流场计算,分析各类条件下的流场结构、流动分离特性以及流场热化学参数分布特点,研究壁面条件对流动特性的影响。结果表明：流动分离可能性和分离区范围随着压缩拐角斜面倾角增大而增大,随来流马赫数增大而减小;相对于低壁温条件,无烧蚀的辐射平衡壁温和壁面烧蚀条件下流动分离区增大,斜面上压力、摩阻和热流峰值点也有所后移。