统一热管理的疏导式防热系统概念研究

对各种防热、热控机理基本规律进行了梳理和研究,认为要进一步提高系统性能,需要进行结构、防热、热控一体化设计。基于这种设计思想,提出了一种将航天器防热、热控和结构相结合的“统一热管理的疏导式防热系统”,在传统防热机制的基础上,加入原先主要用于热控的各种热传输机制,进行防热、热控和结构等子系统间热的统一管理。应用这种系统,可提高防热效果,减轻飞行器的结构重量,减轻高热流区材料与结构的耐温负担,有可能实现长时间、超高速大气层机动飞行器的前缘尖化,还可使整个防热层趋于等温,易于热控处理,减小结构热应力。文章还分析了疏导式防热系统的应用前景,并针对几种典型的航天器（尖鼻锥和尖翼前缘的高超声速巡航飞行器、返回式航天器和载人飞船）提出若干适用的疏导式防热系统的方案设想。     

RBCC发动机主被动复合热防护方案研究

随着对RBCC发动机研究的不断深入,热防护问题已经成为其走向工程应用的关键之一,本文针对RBCC发动机开展了热防护方案的研究。首先,采用数值模拟对RBCC发动机各模态下的热环境进行了分析;然后,进行了RBCC热防护方案的论证,认为目前材料和技术水平下全主动和全被动方案很难满足RBCC热防护的要求;在此基础上,提出了一种主被动相结合的复合热防护方案,并完成了复合热防护方案的设计。该方案内壁整体采用C/Si C陶瓷基复合材料,在受热比较严重的部位加装再生冷却模块,较好地解决了RBCC发动机冷却剂流量不够的问题。通过对方案的校核计算表明,该方案可满足长时间工作RBCC的热防护需要。     

火箭电气系统电缆网热防护研究

简要介绍了箭上电气系统电缆网热防护技术应用现状，阐述了一体化热防护研究的必要性，提出了轻质电缆网的芯线、绝缘层、屏蔽层、插头和热防护层有效集成的总体方案。研制热防护材料，确定热防护层结构，试制一体化热防护电缆网，模拟热环境试验，研究表明：一体化热防护电缆网满足结构减重与轻柔、可靠性提高和总装周期缩短等总体指标要求。     

热防护材料在火箭羽流正冲条件下烧蚀性能的研究

在固体火箭的发射技术中，常常涉及处在火箭羽流冲刷下发射装置表面热防护材料的烧蚀问题，技术人员需要了解材料的烧蚀机理及其速度的予测。为此，本文对热防护材料在火箭流正正冲条件下的一无是处地理论分析与实验研究，并提出了一种能予估材料烧蚀性能的计算方法，计算结果与实例相符。     

高超声速飞行器新型热防护机制研究进展

从气动热载荷的来源出发，介绍了基于流动控制、光辐射操控、原子重组、电子耗散等物理机制的新型热防护机制的原理和进展。分别从环境和材料两方面实现对流热、化学热和辐射热的主动调控，进一步分析了高超声速飞行器新型热防护机制发展的特点和不足，对该领域未来研究的重点方向提出了建议。     

火星进入器气动热环境模拟及热防护试验综述

文章简述典型火星进入器所面临的气动热环境，阐明在火星大气CO₂介质下进行试验的重大需求以及建立火星热环境模拟及热防护试验方法的必要性；并对国内外进行的相关火星进入器热防护工程性和研究性试验进行综述，指出研究空气和CO₂介质下的电弧加热器运行特性将对火星热防护试验提供必要的支撑，CO₂介质下防热材料催化特性研究和先进测试技术（如TALIF、OES、HSC等）是未来发展的方向。     

SCAT弹头热防护的简化计算方法

本文对自适应发汗冷却（ＳＣＡＴ）弹头的热防护问题作了简化分析，并导得了热防护计算的简化计算公式。对铊，铟，锡和水四种冷却剂的情况，给出了算例。本文导行的公式，计算较简便，可作为弹头热防护设计的一种工程计算方法。这种工程计算方法亦可以用于地模拟实验前的予算。     

模拟火星大气环境对典型柔性结构热防护特性的影响

随着深空探测任务的逐步开展,火星被视为最重要的载人探测目的地之一,而火星大气环境给柔性结构的热防护带来挑战。文章以舱外航天服手套为柔性热防护结构的研究对象,通过建模实现了舱外手套在火星大气环境冷工况下漏热功率的分析,并开展了模拟火星大气环境下舱外手套的热防护试验研究。结果表明:相比于近地轨道应用,现有舱外手套的热防护能力在火星大气环境中将显著降低,在冷工况下手套的漏热功率超过10 W,且局部热防护不足。在此研究基础上,文章对分析模型的完善、试验方法的拓展以及柔性热防护结构的改进等进行了展望。     

运载火箭低温推进剂热管理技术及应用进展分析

运载火箭低温推进剂与外界环境的传热是造成汽化的主要原因。为长期贮存和使用低温推进剂,必须采用综合的热管理技术。首先介绍国内外提出的被动热防护技术和主动制冷技术。前者的主要目的是降低贮箱与外界环境的热量交换强度;后者是通过对贮箱内的热量进行转移,以实现低温推进剂的无损贮存,但只适合已具有良好被动热防护的贮箱。其次,对国外典型低温推进剂实验应用系统进行分析,并初步提出多功能液氢实验平台方案设想,方案中通过CZ-3A号搭载多功能液氢实验平台用于验证空间环境下低温推进剂的综合应用技术。通过对低温推进剂热管理技术的调研和论证,为我国低温推进剂在空间环境下的长期在轨使用提供技术参考。     

一体化热防护技术现状和发展趋势

防隔热/承载一体化热防护的结构承载功能使其比传统热防护具有更高的结构效率。近年来,已经发展了波纹夹芯一体化热防护及改进方案、刚性隔热夹芯一体化热防护、多层级一体化热防护等多种一体化热防护概念。首先介绍了各方案的结构特征,分析了各方案的热短路效应和结构承载性能。阐述了一体化热防护等效性能分析与热力耦合响应高效分析方法。介绍了热力耦合约束下一体化热防护的结构尺寸优化与材料优选方法。论述了一体化热防护非确定性分析与设计方面的研究进展。在此基础上,总结了一体化热防护发展的特点和不足,探讨了一体化热防护的发展方向。     

高超声速飞行器翼面前缘半主动金属热防护系统设计与分析

针对高超声速飞行器翼面前缘的热防护,文章设计了一种基于热管的半主动金属热防护系统。设计中使用工程估算方法预测了翼面前缘的气动热环境,并采用有限元法对高温合金翼面前缘结构进行了热固耦合分析和强度考核。分析结果表明:在马赫数为5~8的飞行状态下,热管可以有效地降低高超声速飞行器翼面前缘峰值温度达23%~31%,且呈现飞行马赫数越高则峰值温度降低幅度越大的趋势;同时热管还可以降低翼面前缘结构温差达90%以上,从而极大地减小由于温差而导致的热应变和内部应力。因此,将基于热管的半主动金属热防护系统应用于高超声速飞行器翼面前缘可以真正实现结构防热一体化,有助于获得较好的防热和减重效果。     

高超飞行器表面热效应地面模拟实验研究

文章深入分析高超飞行器与临近空间大气相互作用的基本物理过程,激波加热及粒子碰撞产生等离子体的物理机制,并利用磁热屏蔽效应在高超飞行器模拟器与高速定向流间建立磁化等离子体鞘层,大幅降低中性激波气体向飞行器的能流传递,从而为高超飞行器提供有效的热防护作用。通过两次比对实验验证了磁热屏蔽效应的有效性及工程实施的可行性,为今后研制高韧性、超轻质、可重复使用热防护复合材料提供了实验数据,奠定了技术基础。实验中利用层流等离子体源作为高能流密度热源是热防护实验装备上的创新,层流等离子体源能流截面大、能流密度高,可以针对高超飞行器表面热效应进行全尺寸的模拟实验。     

发汗式主动冷却金属热防护系统主动冷却效率研究

发汗式主动冷却金属热防护系统是一种新型概念,将发汗冷却方法应用于金属热防护系统中,用于提高金属热防护系统的热载荷承载能力,是解决临近空间高超声速飞行器防热问题的有效方法。设计并建立了发汗式主动冷却金属热防护系统的实验模型,分析了发汗式主动冷却金属热防护系统的基本冷却原理,测量了同一实验模型分别在有无发汗冷却作用下,沿厚度方向不同位置测量点的温度响应。结果表明：在相同的加热条件,采用发汗冷却方法,可以使受热蒙皮材料达到相同温度的时间明显滞后;在发汗冷却作用的过程中,内部隔热层的温度不会超过水的沸点温度;采用发汗冷却方法,可以使同一结构热载荷承载能力至少提高70%;通过合理的结构设计,可以减少受热蒙皮由于热膨胀而引起的结构变形。
     

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对“火星探路者号”（Mars Pathfinder）探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。     

高超声速飞行器主动气膜冷却热防护数值仿真研究

为研究高超声速飞行器头部全覆盖保护情况下的气动热分布特征,文章提出一种微孔射流的主动气膜热防护方案,并对射流微孔分布进行优化;通过数值求解N-S方程,得到高超声速飞行器头部的驻点压力及表面、附近温度分布。研究结果表明,在主动气膜冷却热防护下,高超声速飞行器壁面温度可以降到1000 K以下。该方案可为未来高超声速飞行器的外壳设计提供参考。     

飞行器结构部件导热/辐射耦合传热特性预测方法

采用数值方法求解气动热环境,基于蒙特卡罗方法求解内部空腔辐射换热及有限元方法求解三维导热,建立了沿弹道求解导热/辐射耦合的热响应预测方法,计算并获得了沿给定飞行弹道条件下的考虑内部辐射和不考虑内部辐射时的某高超声速飞行器结构部件的热响应特性。研究表明,所发展的耦合计算方法具有较高的精度和较好的工程适用性;考虑内部辐射时,结构部件局部最高温度明显低于不考虑辐射时,最高相差400K以上,且温度分布趋于均匀,温度梯度减小。相关研究对高超声速飞行器防热结构设计与优化具有重要参考意义。     

光子晶体热控结构防护性能研究

光子晶体在红外波段同时具有高反射率和高辐射率,可作为高超声速飞行器的防热材料。文章利用FLUENT软件和辐射模型中的离散坐标算法对有/无光子晶体防热层结构进行了气动加热数值模拟计算,得到了在不同热流密度条件下基体的温度分布;通过计算结果的对比发现,采用光子晶体防热层结构使基体温度下降约360～515 K,具有良好的热控性能。光子晶体是一种具有广阔应用前景的热防护材料,作为高超声速飞行器的防热层结构的可行性与有效性还有待深入研究。     

运载火箭尾段防热/承载一体化热防护系统设计及性能分析

先进热防护技术是可重复使用运载火箭研制的关键技术之一,具有高结构效率的防热/承载一体化热防护系统是运载火箭极具潜力的备选热防护方案。本文系统地总结了可重复使用运载火箭尾舱段防热和承载两方面的设计要求,设计了一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护系统。开展了运载火箭尾段一体化热防护系统设计,进行了代表性单胞结构的高温环境地面试验,揭示了复合材料一体化热防护系统的防隔热机理。同时施加力学和热流载荷,利用有限元方法对运载火箭尾段进行了热力耦合分析,获得了尾段结构的温度场、应变场和应力场。结果表明:在典型载荷工况下一体化热防护系统内壁温度保持在89.2℃以下,内部最大应力不超过9.53 MPa,安全系数达到1.89。     

耐热合金蜂窝等效热导率的实验研究

耐热合金蜂窝夹芯结构是高超音速飞行器热防护系统外面板的理想候选方案.针对Hastelloy X耐热合金蜂窝夹芯结构开展了稳态传热实验,通过控制加热板温度,获得了一组热平衡时蜂窝夹芯结构的热、冷面温度,结合Stefan-Boltzmann定律和大空间自然对流实验关联式,采用热阻分析方法得到了Hastelloy X耐热合金...