国产低导热PAN基碳纤维制备及其在绝热材料的应用

为拓展碳纤维在绝热材料领域的应用,将实验室自制原丝通过低温炭化工艺制备得到了低导热聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,分析了该碳纤维的化学组成、微观结构、表面形貌、热性能和力学性能等;并制备了低导热碳纤维增强酚醛树脂橡胶基绝热材料,探讨其热性能和烧蚀性能的变化规律和影响因素。结果表明,采用低温炭化,碳纤维的碳元素含量和结晶度相对较低,导致其热性能和力学性能较差,其中热导率最大可比MT300碳纤维降低46.9%,但有利于绝热材料的制备。炭化温度为900℃时,碳纤维绝热材料的热导率比MT300碳纤维绝热材料降低23.4%,线烧蚀率提高39.5%。该材料的制备工艺及关键性能参数可为国产碳纤维在固体火箭发动机内热防护领域的应用提供借鉴和参考。     

考虑空腔的高超声速多流动区域同步数值模拟

先进的高超声速飞行器具有薄壁空腔结构,在飞行过程中受热会产生空腔内气体流动现象,从而影响流场和结构的温度分布。采用数值方法准确模拟高超声速流场、结构温度场和空腔内流动对热结构分析是很有必要的。以研究空腔流动对结构温度分布影响为目的,发展了一种适用于多流动区域流场/结构温度场耦合问题的同步计算方法,并以高超声速带空腔结构物体为例,数值研究了其外部气动热/结构热传导引起的空腔热对流问题。以已发展的高超声速外流场/结构温度场同步计算方法为基础,为了进一步考虑空腔内低速流场,采用了预处理矩阵方法。在流场与结构温度场的交界面两侧分别引入虚拟单元,从而高效地实现相邻场之间物理信息交换。首先通过标准算例验证了方法在求解单独气动热/结构热传导问题以及空腔自然对流问题中的准确性。进而对封闭和带有开孔的两种高超声速运动圆环分别进行多流动区域同步数值模拟。计算结果表明,由于结构温度不均匀引起的空腔内热对流反之也会对结构温度场分布产生轻微的影响。在空腔内气体流动的影响下,封闭圆环的前缘温度在35s内最多下降0.8%左右。对于带开孔空腔的圆环,其孔壁周边温度在0.5s内能够超过外流前缘驻点温度。     

稳态与瞬态冲击射流换热性能实验对比

为了对比研究稳态与瞬态单孔冲击射流的传热性能,采用热色液晶测温技术获取实验件被冲击表面的传热系数分布。实验中改变了冲击雷诺数Re和冲击孔直径比L/d,利用工业相机拍摄实验件凹表面颜色变化过程,计算并对比两种射流条件下局部努塞尔数Nu_D的分布,并与文献值进行比较。研究表明相对于稳态冲击射流,瞬态冲击射流的传热性能更佳。通过记录整个冲击射流过程,得到Nu_D随时间t变化关系。驻点附近NuD随冲击的进行逐渐减小并趋于稳定。随冲击雷诺数Re增大或冲击孔直径比L/d接近6,瞬态冲击射流的强化传热效果逐渐明显,强化效果可达15%以上。     

辐射换热对平板气膜冷却性能影响

为了分析辐射换热对平板气膜冷却性能的影响,分别对不考虑辐射换热(耦合计算)与考虑辐射换热两种条件下的平板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,并与绝热壁(不考虑隔热屏固壁导热)的计算结果进行了对比。辐射换热采用离散坐标法。得到了3种不同主/次流总温比(Rt)条件下气膜冷却效果、流场、单位面积冷流体热负荷以及流量系数的对比结果与变化规律。结果表明:气膜冷却效果沿流向逐渐降低,且随总温比的增加而降低;在展向上气膜冷却效果呈现中间高两边低的分布规律,最大与最小相对值在绝热壁条件下达到最大,为94.5%,辐射换热次之,为13.5%,不考虑辐射换热时最小,为9.8%。与不考虑辐射换热结果相比,辐射换热对气膜冷却效果的影响在流动方向逐渐变大,气膜孔附近展向温度梯度增大,冷流体热负荷增加了92.8%,二者计算的流量系数相差不大,为1.1%,与绝热壁计算结果相比,流量系数减小了13.1%。随着总温比增加流量系数减小,最大值与最小值相差不大,为1.1%。     

基于热仿真的泵压式多次起动发动机热控设计

某上面级主发动机采用常温可贮存液体推进剂,采用泵压式供应方案,依靠起动箱式多次起动系统使发动机具备多次起动工作能力,在轨工作2天。为使发动机温度环境满足工作要求,对发动机进行了热控设计,热控方案采用被动热控措施为主、主动电加热措施为辅以及起动前排放的综合措施。发动机热控设计基于热网络仿真分析法,通过建立整机热分析模型预示发动机任务剖面温度变化,为发动机提供合理的热控设计方案。     

阻燃钛合金Ti40的热物理性能及力学性能

作为一种功能性钛合金,Ti40阻燃钛合金的热物理性能数据首次被报道。采用真空自耗电弧熔炼技术制备的Ti40合金铸锭成分均匀,利用热挤压开坯+包套保护锻造方法制备的板坯组织均匀。性能测试结果表明:Ti40合金的室温抗拉强度为950 MPa级,且在500℃下具有良好的热暴露性能、高温蠕变性能和高温持久性能。在室温到600℃范围内,合金的杨氏模量和剪切模量随着温度的升高呈线性下降,泊松比随着温度升高而缓慢增加;线性热膨胀曲线随着温度升高呈抛物线增加,平均线膨胀系数随着温度的升高呈线性增加。     

防风网对煤堆遮风效果的风洞实验研究

为了考察防风网对堆场煤堆的遮风效果,进行了防风网与煤堆之间区域的流场可视化实验。使用风洞模拟大气边界层条件,并将开孔率为38.5%的防风网模型布置在煤堆模型前方。实验中采用粒子成像测速(PIV)系统测量了防风网和堆场区域的平均风速分布,并且获得了煤堆表面的摩擦风速分布,进一步估算煤堆起尘量的变化情况。实验发现,防风网可有效降低煤堆表面迎风区域的摩擦风速,而对背风面的流场分布影响较小。研究结果可为防风网的遮护作用提供一定的实验支持。     

双模式离子液体推进剂的分解特性与热试车实验研究

硝酸羟胺(HAN)/1 乙基 3 甲基咪唑硫酸乙酯(［Emim］［EtSO4］)混合离子液体推进剂具有绿色无毒、高性能、易电离的特点，既可以应用于化学推进模式，又可以应用于电推进模式，是肼类推进剂的一种理想的替代品.利用热重分析 差示扫描量热法(TGA DSC)研究了HAN/［Emim］［EtSO4］离子液体推进剂的热分解和催化分解过程.研究了其在升温速率为5 K/min~15 K/min时，热分解和催化分解情况下的失重过程和放热过程.失重结果表明，该离子液体推进剂分解过程中，放热曲线表明，分解过程存在两个显著的放热过程使用催化剂可以显著地降低推进剂的分解温度和残余质量.最后，研制了推力为200 mN的模型发动机，热试车结果表明，HAN/［Emim］［EtSO4］离子液体推进剂可以在催化点火条件下实现稳定启动，在空间推进领域具有良好应用前景.     

激光捷联惯导量化热设计指标控制方法

随着机载激光捷联惯导向小型化方向发展,惯导结构的热设计正面临着更加严峻的挑战.针对设计中经常出现因无法在设计前期进行热设计指标控制而导致后期设计返工的问题,提出了一种热设计量化控制方法,即根据估算的整机功率计算箱体外表面积,再对箱体外表面积可达性进行判断,如可达则以该参数作为控制指标进行设计,如不可达则采用可达的最大表面积作为输入反算整机功耗,再根据计算结果对各电路功耗进行重新分配.经有限元仿真计算和试验一致证明该方法有效,可以实现惯导设计前期定量化的热设计控制,在很大程度上避免了后期因热可靠性及热试验问题的设计返工.     

含氢 WC/ C 复合涂层在不同润滑油环境的摩擦性能

利用非平衡磁控溅射技术,通过同时离化乙炔气体和共溅射石墨靶与碳化钨靶,在304不锈钢和单晶硅基底上沉积具有Cr过渡层和WC过渡层的含氢WC/C复合涂层。采用扫描电镜、Raman光谱仪、X射线衍射仪、纳米压痕仪等对涂层的微观结构、力学性能进行分析。利用Rtec摩擦磨损试验机对WC/C复合涂层与304不锈钢基底在PAO基础润滑油环境、发动机润滑油环境以及腐蚀性发动机润滑油环境进行摩擦性能测试。结果表明:涂层内含有较多类石墨sp2键,WC1-x相镶嵌在非晶碳基质中构成多相复合结构;涂层的硬度和弹性模量明显高于304不锈钢基底,且其H/E值远高于基底;与304不锈钢基底相比,在三种润滑油环境下涂层均具有较低的摩擦因数和磨损率。