防热复合材料的烧蚀机理与模型研究

烧蚀材料在高温环境中因物理、化学和力学因素造成质量损失，影响其性能。建立相应的热化学和热力学烧蚀模型，分析其传热特性和力学性能的演化规律，建立材料的热毁损判据，是复合材料防热结构设计所面临的重要问题。本文综述了近年来文献中对炭基复合材料烧蚀机理的研究，并对几种烧蚀模型进行了评价。     

航天热防护材料的烧蚀特性研究

介绍了运用 CO_2激光加热装置,对聚四氟乙烯(Teflon)和热防护烧蚀材料 AT2的烧蚀特性研究.研究发现聚四氟乙烯的烧蚀率随热流的上升而增加;随氮气压强和流量的上升而下降;烧蚀过程产生的凝胶区和激光支持气相火焰区,与热流、环境气体种类及压强有关,凝胶区厚度随热流上升而下降,当热流很高时,却趋于一个常数;烧蚀表面温度随热流上升而升高,在本研究条件下,在600～700℃之间.AT2材料的温度和碳化层厚度,随加热时间而增大,随氮气压强的增加而减小.对入射激光束反射强的表面,碳化时的最大温度较低,碳化层的厚度较小.     

航天飞行器防热涂层烧蚀行为及机理研究

为拓宽航天飞行器防热涂层裂解温域,提高涂层的耐烧蚀性能,文章通过热重–差示扫描量热分析仪（TG-DTG）分析了2种硅橡胶基体的热分解行为,并结合马弗炉烧蚀实验研究铁红、云母、白炭黑等3种功能组元对硅橡胶涂层静态烧蚀性能的影响,通过扫描电镜（SEM）以及红外光谱分析仪（FT-IR）分析烧蚀机理,最后通过马弗炉烧蚀实验及高温燃气流烧蚀实验对2种涂层的烧蚀性能进行考核。结果表明：甲基苯基硅橡胶在220～320 ℃温域的裂解主要以侧基交联为主;在320～480 ℃以由羟基引发的主链“回咬”机制为主;在480～630 ℃则通过链间折叠发生环降解反应。主链“回咬”和链间环降解反应均会导致树脂基体交联密度降低,力学性能下降,产生“粉化”。甲基乙烯基硅橡胶在其裂解温域370～780 ℃主要发生侧基交联反应,树脂基体交联密度上升,热稳定性提高。白炭黑对于2种硅橡胶基体的热稳定性提升最为显著;铁红、云母等均会在高温下与硅橡胶基体产生共融,减缓硅橡胶基体的高温裂解。     

树脂基防热材料烧蚀性能表征的探讨

采用氧-乙炔烧蚀试验研究了传统炭布增强酚醛(钡酚醛)、硼改性酚醛及聚芳基乙炔三种防热材料(C／BaF、C／FB、C／PAA)的烧蚀性能。结果表明，这三种材料的质量烧蚀率和基体树脂的耐热性能一致，数据变异系数Cv较小(7．1％-13．8％)，可作为评价烧蚀材料烧蚀性能的重要指标；线烧蚀率数据的离散系数较大(23．9％-232．5％)。C／BaF和C／PAA材料出现了负的线烧蚀率现象，因此线烧蚀率不适宜作为评价2D树脂基防热材料烧蚀性能的指标。采用质量烧蚀率和烧蚀因子可较好地表征和比较烧蚀材料的烧蚀性能。     

高速飞行器等离子体减阻的数值模拟研究

针对典型的楔形体飞行器头部,利用在头部单点喷射产生等离子体的方法,研究了等离子体对高速飞行器阻力的影响。采用二维粘性磁流场方程,计算了不同马赫数、不同等离子体数以及无等离子体情况下的流场特性和阻力。介绍了数值模拟方法、研究对象,给出了典型的计算结果,并分析了等离子体喷流减阻的机理。结果表明：等离子体喷流可以有效减少飞行器的阻力,但其减阻的效果与来流马赫数等参数有很大的关系;当马赫数为3时,等离子体减阻可接近30%.
     

高超声速飞行器前缘缝隙流动数值模拟研究

通过分析高超声速飞行器前缘防热瓦结构,建立了一种开缝前缘的简化模型。针对这一模型的流场通过求解三维可压缩Navier Stokes方程进行了数值模拟。研究了缝隙诱导形成的三维旋涡的空间分布特征和旋涡运动对物面气动加热的影响规律。模型圆弧段缝隙肩部倒圆区因存在较强的三维效应形成“常规”高热流区,而缝隙内主旋涡再附致使侧壁上存在一个“非常规”高热流区;模型平直段展向流动诱导缝隙上方出现较强的旋涡运动,同时流动在缝隙倒圆区形成分离涡并于缝隙侧壁面再附,受这些旋涡运动的影响,缝隙肩部倒圆区转变为局部热流低值区,缝隙侧壁上存在局部热流高值区。     

乘波飞行器气动力、热特性的数值模拟研究

采用多块分区网格以及并行计算技术对给定乘波构形的高超声速飞行器进行了数值模 拟,分析了飞行器前缘小半径钝化对飞行器气动性能的影响,计算了前缘钝化后飞行器表面 的热流分布状况。结果表明,前缘钝化对飞行器的升力影响不大,对阻力和升阻比的影响较 大。对于曲率半径为1cm的钝化前缘,与原尖前缘飞行器相比,其升力降低了0.78％,阻 力增加6.96％,升阻比下降7.21％。前缘钝化后,乘波飞行器仍具有较好的气动性能, 飞行器前机身可为发动机提供比较均匀的气流,飞行器整体仍基本保持了乘波的状态,热流 主要集中在飞行器前缘上。为了有效防热,需要采用主动式冷却技术。     

ZrCP/W复合材料在发动机试车条件下的热震烧蚀行为

采用热压烧结法制备了ZrCp／W复合材料环形试样，测试了该复合材料试样在发动机试车条件下的热震烧蚀性能。结果表明：ZrCp／W复合材料具有良好的抗热震和耐烧蚀性能．试验后试样整体结构完好，未出现炸裂和破碎的现象，线烧蚀率仅为-0．05mm／s。该复合材料的主要烧蚀机制是机械剥蚀，此外还有熔化烧蚀和热化学烧蚀。     

超高速碰撞下Whipple防护结构的数值模拟

结合有关试验结果，本文利用有限元方法对Whipple防护结构在空间碎片高速碰撞下的过程进行了三维数值仿真。计算结果表明：对于Whipple防护结构，选用适当的材料失效准则，计算结果和试验基本接近。因此，在PAM－SHOCK软件的基础上，通过适量的验证试验，利用有限元方法对飞行器的防空间碎片结构进行设计是可行的。     

强激光对靶材烧蚀效应的数值模拟研究

强激光烧蚀是一个复杂的物理化学过程,包括质量迁移、相变、运动边界等诸多复杂因素。如果靶为复合材料,烧蚀机理更加复杂,而且很难找到共性规律,这对数值计算方法提出了较高的要求。文章介绍了强激光烧蚀的理论基础、烧蚀模型以及对强激光烧蚀进行数值模拟的无网格方法（光滑粒子动力学方法,即SPH方法）。采用了SPH方法对典型靶的激光烧蚀进行了数值模拟,并给出了单层铝靶和环氧树脂/铝双层靶在激光辐照下的烧蚀形貌与温度场。计算结果表明,在不同材料的交界面,烧蚀将沿径向发展。     

汽蚀管流场数值模拟

根据汽蚀管结构,采用FLUENT软件进行了汽蚀管流场数值模拟,比较了不同结构尺寸对流量的影响.结果表明：汽蚀管入口倒角对流量控制有较大影响,不倒角时流量明显减小.     

基于IGRF地磁场模型的航天器地磁干扰力矩数值仿真

航天器长期在轨运行期间,空间磁场与其自身磁矩相互作用的累积,会对航天器的姿态造成较大影响,加重姿态控制系统负担,降低航天器的可靠性。文章分别针对航天器轨道计算及地磁场模型的使用,对航天器地磁干扰力矩数值的仿真进行了系统的研究,最终得到航天器在轨运行时地磁干扰力矩计算仿真方法。     

再入三维高超声速粘性流场的数值模拟

基于三维可压Favre质量加权平均N-S方程，采用B-L湍流模型模拟了高超声速条件下，球头双锥再入体周围的流场特征。利用一种改进的时间、空间二阶精度的NND格式，再现了超声速／高超声速条件下再入体周围的复杂流动现象，分析、对比了层流和湍流流场流动现象的差别。     

航天器火工分离螺母的火工冲击环境数值仿真研究

为了研究航天器分离时火工分离螺母产生的火工冲击环境特性,了解火工冲击载荷的机制和特点,直观观测应力波在结构材料中的传播过程,使用LS-DYNA非线性有限元程序模拟了火工分离螺母的动态分离过程,给出了典型响应及输出载荷,并通过火工分离螺母-结构一体化仿真得到了星箭界面载荷,为航天器火工冲击环境防护设计提供更加真实的输入条件。     

超燃冲压发动机全流道反应流场仿真分析

采用计算流体力学方法开展了超燃冲压发动机流场二维及三维数值仿真,获得了发动机流场结构及流动细节.探讨了二维简化计算的适用性及不足.通过对发动机各部件受力的分析,得到了发动机初步性能,并就支板及凹腔的减阻设计提供了一些参考.     

环喉型塞式喷管的数值仿真研究

通过流场数值仿真计算方法对环喉型塞式喷管进行了研究,对比计算了不同外流条件下塞式喷管的流场结构和性能.分析表明该塞式喷管的结构方案独特,具有稳定的高空高速性能,与传统的钟型喷管相比低空性能更优异.     

GAP高能推进剂燃速数值模拟

分析了缩水甘油叠氮聚醚(GAP)的热分解特性和燃烧特性,提出了GAP燃烧初期热分解反应的假说,建立了由化学结构特性计算GAP单元推进剂及GAP高能推进剂的燃速公式,并计算了不同配比GAP高燃速推进剂的燃速特征.计算结果与实测值吻合得很好,大部分偏差在±10%以内,且全部误差在±15%以内.这说明所建立的模型基本合理,编制的GAP高能推进剂燃速计算程序基本可行.     

PMMA在固体燃料冲压发动机中燃烧特性的数值模拟

为了解PMMA在固体燃料冲压发动机燃烧室内的燃烧特性,采用RNG κ-ε模型、涡耗散湍流燃烧模型和一阶迎风格式,对以PMMA为燃料的固体燃料冲压发动机燃烧室进行了数值模拟,得到了燃烧室内的流场结构、温度及组分分布.通过比较数值计算结果与国外试验数据,验证了该数值方法的可靠性.研究表明,随着轴向位置的增大,燃料局部退移速...     

航天器表面充电的数值模拟

根据等效电路理论模式,通过计算机模拟了航天器在强亚暴空间环境下阴暗区和光照区两种不同环境下的表面充电情况。选取了比较有代表性的充电情况的等效元进行分析,并参照了ATS-6卫星的实际数据。结果表明,考虑到数值模拟中各种近似条件的假设,模拟结果和实际充电情况基本符合。