C/SiC舵结构热试验瞬态温度场预示技术

航天飞行器在大气层中高马赫数飞行时,会面临严酷的气动加热环境,C/SiC、C/C等高温复合材料由于具有耐高温、高比强、高比模等优点,在飞行器热结构设计中得到大量应用。为了考核热结构服役过程中的高温力学性能和完整性,需要根据飞行时序进行地面结构热环境试验,其中石英灯辐射加热装置是模拟瞬态气动热环境的一种重要手段。地面结构热试验具有不可重复、技术难度大等特点,发展结构热试验辐射热环境预示技术可以有效支撑飞行器结构地面试验验证。针对采用石英灯辐射方式加热的C/SiC复合材料舵结构热试验,建立了辐射加热动态控制过程模拟方法,基于热网络法和蒙特卡罗法获得了结构瞬态温度场分布,通过与试验数据的对比分析,验证了方法的可行性,能够为复合材料结构热试验方案优化和试验效果评估等提供技术支撑。     

热噪声复合环境下飞行器结构动响应预示技术研究进展

高超声速飞行器在巡航/再入阶段经历着严酷的气动力/热/噪声等复合环境,严重威胁着结构的完整性和可靠性。严酷的热环境会显著改变结构的整体和局部模态特性,出现模态跳跃和丢失;当与噪声载荷共同作用时,结构动态响应出现突弹跳变现象,表现出强非线性特征,因此热噪声复合环境下结构动响应预示面临严峻挑战。本文综述了热噪声复合环境动响应预示技术的发展过程,对比分析了目前热噪声动响应预示技术的优势与不足,对于未来高超声速飞行器、可重复使用运载器等载荷环境条件制定和结构优化设计均具有重要意义。     

再入飞行器目标特性建模研究

再入目标的光辐射和电磁散射特性有重要应用,例如目标的探测、识别和指示技术.飞行器高超声速再入过程中,由于与周围大气强烈相互作用,不仅形成复杂结构再入流场,飞行器表面和流场中还伴随发生复杂化学物理过程,对目标特性产生严重影响.在对再入流场及伴随发生的化学物理过程研究分析的基础上, 建立再入目标特性理论模型框架,建立再入飞行器目标特性的基本计算方法,编制了相应计算程序,对典型再入飞行器的红外辐射和电磁散射特性进行了数值模拟.与相应实验结果的比较表明,流场电子数密度、高温气体辐射、等离子体尾迹的RCS等与实验结果一致.     

平纹编织C/SiC复合材料热残余应力的模拟和分析

通过对平纹编织C/SiC复合材料SEM照片精确测量,获取了纤维束的几何参数,并以四参数正弦函数为拟合方程,得到了RVE的建模曲线方程,并建立了RVE的三维有限元模型。采用间接耦合的降温法,模拟计算了C/SiC复合材料的轴向热残余应力,其计算结果与理论值接近;并分析了制备温度以及纤维体积含量对热残余应力的影响。     

高超声速飞行器结构热模态试验国外进展

高超声速飞行器在巡航/再入阶段受到严酷的气动加热效应,极高的温度及温度梯度,改变飞行器结构热物理参数和力学性能,导致结构弯曲、扭转刚度下降,颤振安全边界降低,影响飞行器结构的可靠性。热环境下的结构模态特性,作为反映气动加热对结构影响的重要参数,在指导、验证此类飞行器的设计中具有重要意义。20世纪中期以来,NASA Langley、Dryden等研究中心分别针对金属和复合材料壁板、X-15翼舵、X-34发动机喷管等结构开展热模态试验方法研究与试验验证,近期Dryden研究中心针对X-37方向舵开展热模态试验的探索研究。系统综述了国外开展的热模态试验方法、试验设施和试验结果,总结热模态试验中的工程问题和研究方向,对于国内热模态试验技术的发展、飞行器结构高温性能评估等均具有重要的指导意义。     

可重复使用运载器热防护系统胶层脱胶传热分析

针对可重复使用运载器(RLV)热防护系统(TPS)胶接结构局部脱胶失效问题,建立热防护系统胶层脱胶传热二维分析模型,利用有限元软件ANSYS进行热防护结构传热分析和热应力求解.结合具体算例,得出在无外力作用下,当胶层的导热与脱胶后真空缝隙的辐射传热二者的当量热阻相同时,由脱胶产生的热应力不易引起脱胶区域的扩展,所得结论对TPS胶层设计有一定的指导意义.     

辐射加热方法在结构热试验中的作用与地位

高超声速飞行器经受着严酷的气动加热环境,为验证飞行器整体设计、考核热结构耐热性能,需要开展大量的结构热试验研究,如辐射加热、气流加热方法等。其中辐射加热方法具有加热时间长、加热能力强、多温区控制等特点,是有效的结构全尺寸热试验方法;气流加热方法受试验空间、加热时间等限制,在特定问题上发挥着重要作用。给出了高超声速飞行器防热区和高温区的热结构设计理念,总结了国外结构热试验方法的发展和应用,指出用辐射加热模拟气动热环境仍将是新型飞行器热结构优化设计和性能考核的重要手段。     

C/SiC复合材料的氧化行为仿真分析方法研究

对C/SiC复合材料高温氧化过程的准确预示，是提升C/SiC复合材料热结构设计水平的关键技术之一。本文结合C/SiC复合材料氧化机理、多孔介质流动理论和Fick扩散定律，得到了不同温度作用下C/SiC复合材料的氧化动力学方程并建立了氧化失重的数学表达式。开发了氧化扩展UEL子程序，对典型C/SiC复合材料试件氧化过程中氧、碳元素的分布和氧化扩展过程进行了分析，分析结果显示不同温度下的氧化失重与试验数据可以很好吻合。     

临近空间飞行器控制器热设计与热分析

临近空间飞行器电子设备集成度高、体积小、功率大,导致发热量大大提高,而其又直接工作在恶劣的空间热环境,因此,空间大功率电子设备的热设计成为未来飞行器安全、高效飞行的关键因素之一。本文针对临近空间的热环境特点,结合控制单元的工作模式,采用冷板散热、热控涂层、低热阻途径以及提高换热效率等有效方法对电子设备进行热设计。在结构设计基础上,用商业软件ANSYS ICEM CFD进行前处理,用FLUENT进行模拟热仿真,并对结果进行分析后给出3种合理优化的设计方案。仿真结果表明,增加冷板边缘处面积、增大辐射散热和自然对流换热表面积的设计方案可以有效地将控制器温度控制在293.15~318.15 K高效可靠的工作温度之间。     

可重复使用热防护系统试验验证技术概述

主要针对高超音速飞行器三种典型可重复使用热防护系统概念,详细阐述了热防护系统试验验证技术国内外进展。国外所开展的热防护系统验证试验项目,主要包括热物理性能试验、力学性能试验以及在热、压、振动、噪声、大气暴露、雷击等极端环境下的TPS结构耐久性试验三大类。简要介绍了热防护系统验证试验的关键技术,分析了国内在热防护系统试验验证技术方面的技术需求,阐明了我国热防护系统试验验证技术未来发展方向。     

低密度烧蚀材料在中高热流环境应用的试验研究和理论预测

低密度烧蚀材料是为解决飞船再入过程中高焓、低热流长时间飞行热环境的防热问题开发的防热材料。随着新工程项目的开展,低密度烧蚀材料被要求应用于中高热流的新环境下。在电弧风洞上开展了低密度烧蚀材料在气流恢复焓为18MJ/kg,冷壁热流为720kW/m2的高焓、中高热流条件下的防热性能考核试验。试验中改进了传统的水冷框方式,水冷框与试验件之间增加了高性能隔热材料,避免了侧向热泄漏,提高了试验结果的准确性。试验结果表明低密度烧蚀材料能够满足中高热流的加热环境。同时开展了低密度烧蚀材料的防热性能计算研究。低密度烧蚀材料的烧蚀机理复杂,根据低密度烧蚀过程的本体热传导-热解-炭化机制,不同区域和阶段分别采用对应的预测方法,改进了炭化烧蚀的计算方法。将理论预测结果同风洞试验结果进行了对比研究,结果表明理论预测同风洞试验结果一致性良好。     

轻质点阵主动冷却壁板热流固耦合响应分析

提出一类以点阵材料为夹芯的新型轻质主动冷却壁板,研究了Ma=6条件下的该壁板的流固耦合传热性能及热结构响应性能,并从热防护、热强度和轻量化等几个方面与槽道式主动冷却结构进行了综合比较。采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,考虑了几种典型的点阵夹层结构与冷却液动态换热过程的相互影响,分析中考虑了碳氢燃料与合金材料热物理性质随温度的变化以及湍流换热,求解获得了流体与结构的三维瞬态温度场,并通过顺序耦合求解获得了结构的应力场。计算结果表明,在相同的热环境下,高孔隙率的轻质点阵夹层结构的流固界面换热性能远高于槽道式主动冷却结构,因此结构的最高温度也较低,同时应力集中问题也有所缓解。通过对不同构型的点阵夹层结构的比较发现,胞元构型对其传热性能和结构应力应变有显著的影响。     

纤维增强复合材料宏细观传热分析

利用有限元单胞方法,通过对复合材料结构进行多尺度建模,分析了复合材料的传热性能,讨论了不同因素对于复合材料热传导性能的影响。首先采用有限元单胞法获得单层板的热物理性能,再根据具体铺层次序获得多层板的热物理性能,最后针对一种实际使用的航天复合材料支架结构进行了防热和承载能力的计算和试验。结果表明,复合材料单层板的热传导性能呈各向异性,沿纤维方向的热导系数与纤维体积比呈线性关系,垂直纤维方向的热导系数与体积比呈非线性关系,计算结果与试验结果吻合较好,文中采用的方法可用于复合材料结构的导热计算。     

催化效应对气动热环境影响的流动-传热耦合数值分析

鉴于高超声速飞行中高温气体效应带来的壁面催化反应可显著增加气动热载荷,在气动热环境与结构热响应的分析与预报中需充分考虑催化反应带来的影响。将简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型嵌入超高速流动-传热耦合分析模型中,建立超高速流动/催化反应/传热多场耦合分析模型。其中,通过高频等离子风洞的催化特性测试获得ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料表面催化系数与温度的函数关系,对比分析耦合计算和非耦合计算、简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型对气动热环境的影响和适应性,结果表明材料表面催化特性对壁面总热流有重大影响。对于具有较高热导率材料的热响应,耦合传热分析能够有效避免非耦合计算带来的过度高估的结果,而有限速率催化反应模型可有效提高计算精度。在此基础之上,通过耦合传热分析,揭示了催化反应与壁面传热的内在关系,证明了在传热分析中考虑表面催化效应可提升结构热响应精度和防热系统精细化设计的能力。     

复合相变蓄热材料传热特性计算与实验研究

复合相变材料（PCM）作为一种固/液相变材料与多孔高导热泡沫等材料复合而成的新型材料体系,具有潜热大和热导率高等优异性能。因此,基于复合相变材料的蓄热装置成为新一代飞行器热管理技术的研究热点。以碳化硅（SiC）泡沫填充石蜡类相变材料为研究对象,采用有限容积法与等效热容法相结合的方法,建立了考虑材料细观与宏观传热特性的复合相变材料传热特性数值预测方法,搭建了实验平台并开展了材料传热特性的实验研究,验证了计算模型与方法的有效性。相关方法可为材料孔隙率、微结构等特征对复合相变材料传热特性的影响规律研究以及材料蓄热性能的优化提供参考。     

隔热结构对塞块式量热计热流测量的影响

塞块式量热计是热结构试验中常用的热流传感器,其侧向传热是测量误差的重要来源。在对塞块式量热计传热分析的基础上,设计了一种改进型隔热结构,并提出了一种基于半无限大体假定的热损失修正方法。通过建立塞块式量热计的有限元数值模型,分析了量热塞与隔热材料的接触热阻对数据处理结果的影响,在接触热阻较大时(R=1×10-3 m2·K/W),未修正时最大测量误差不超过-9%,而修正后最大误差超过了20%;在接触热阻较小时(R=1×10-4 m2·K/W),未修正时的最大测量误差约-20%,修正后则不大于1.5%。可见该修正方法只适用于接触热阻较小的情况。。数值模拟结果还表明,在隔热层表面附近增加金属尖楔的改进型结构,隔热材料最高温度从超过2000℃降低到300℃以下,有利于保护隔热材料不被烧损,间楔与传感器之间的换热面积只有总侧向面积的约2.9%,两者之间的换热几乎不影响数据处理方法的选择。     

热管辐射器热分析

大多数航天器的热控制都是利用空间辐射器作为排热部件。在空间辐射器上，安装热管将极大地提高空间辐射器的散热能力。热管辐射器是一种传热性能极好、运行安全可靠的空间辐射器。文中介绍了典型热管辐射器的结构型式，对平面双组热管辐射器和柱面双组热管辐射器进行了详细的热分析，完成了典型柱面双组热管辐射的性能计算，并计算出流体温度和辐射肋片温度的变化。