高超声速飞行器的动态热密封技术研究进展

高马赫数飞行带来的气动热一直是制约飞行器向更大速域和空域发展的最大因素,特别是针对飞行器发动机尾喷管和机体之间、飞行器尾翼控制舵等有较大动态间隙部位,对其进行动态热密封的技术难度也远高于一般的机身表面防热;因此,动态热密封技术成为各国在新型高超声速空天飞行器发展中需要突破的重要瓶颈。本文以X-38等飞行器为例,对国外动态热密封技术进行了简要介绍,并对其主要技术类型和关键性能测试方法进行综述,最后对动态热密封技术的发展进行了总结和展望。     

民用飞机机身密封技术的浅析

机身密封技术是影响飞机疲劳寿命、使用寿命、经济修理和安全性的一个关键因素,减少密封失效面引起机身腐蚀,提高飞机的密封能力是民用飞机制造发展的必然趋势.介绍民用飞机机身密封的类型,分析密封剂的性能要求;结合机身密封工艺要求和结构特点,给出密封操作方法的建议;分析密封失效的原因,给出典型结构密封的失效修理方法,保证飞机使用安全性和寿命.     

天地往返飞行器大开口舱门关键技术及其解决途径

大开口舱门是航天飞机和X-37B等天地往返飞行器不可或缺的组成部分,跨度达到了1/3~1/2飞行器机身长度,天地往返飞行器全任务周期内的载荷条件复杂和功能要求多样决定了舱门的研制难度极大。介绍了天地往返飞行器大开口舱门技术的国外研究现状,总结了大开口舱门的共性特点;提出大开口舱门研制过程中需重点突破的总体设计技术、热防护与热密封技术、重复展收技术、重复锁紧与解锁技术等关键技术,针对各项关键技术给出了可参考的解决途径。     

高超声速飞行器舵面作动器舱环境设计及应用

针对高超声速飞行器热结构区域作动器舱环境控制相关技术进行研究,包括耐热结构可重复使用防热设计、外部热结构的作动器舱热防护构型设计和作动器舱动密封设计等。根据舱体的不同部位采用隔热式、辐射式和热沉式的防热构型,而作动器与舱体的运动间隙密封则采用一体式动密封构件。通过隔热特性分析、承载能力分析和热设计仿真分析等手段,优选出合理的热防护系统的适用参数。     

高温基线密封研究进展

介绍了高温基线密封的使用需求、结构和材料选择、设计、模拟分析以及试验装置的发展;并结合具体的使用背景,以Shuttle orbiters和X-38上使用的控制面基线密封件为例,介绍了NASA在研制高温基线密封金属弹簧管的过程中,高温金属弹簧管的材料选择、结构设计和性能测试.     

指尖密封的温度场及热结构耦合分析

以单梁-双层密封片为单元建立了指尖密封热分析模型,依据指尖密封的实际工况确定了指尖密封热分析边界条件,通过有限元分析获得了不同工况条件下指尖密封的温度场分布,结果表明指尖密封的最高温度分布区域与高压腔气体温度高低有关,随着高压腔气体温度升高,最高温度分布区域自指尖靴部向高压密封片中部转移.在指尖密封热分析基础上进行了指尖密封热结构耦合分析,获得了考虑热效应的指尖密封的迟滞特性和接触性能.与不考虑温度影响的指尖密封性能分析结果相比,考虑热效应下的指尖密封的迟滞量减小,指尖与转子间的接触压力明显增大.      

X-51A试飞受挫原因可能是密封失效

在5月25日X-51A“驭波者”高超声速试验飞行器的首飞试验中，超燃冲压发动机与尾喷管之间的密封故障可能是导致X-51A无法达到预定马赫数的原因。从超燃冲压发动机泄露出来的高温气体对飞行器产生了侧向力，从而导致加速减慢和续航时间变短。     

某系列飞机机身结构密封剂涂覆质量改进研究

针对某系列飞机机身密封典型的密封形式及密封工艺,结合常见密封剂涂覆问题产生的原因,制定了密封剂涂覆质量改进的方法,0并引开言展了密封涂覆质量改进验证,为飞机密封剂涂覆质量改进提供参考和借鉴。     

深冷氦气增压瓶密封结构研制

本文概括总结了深冷氦气增压瓶密封结构的研制工作。选择了材料,设计了三种密封结构(即榫槽铟密封结构、垫片镀铟密封结构和双道密封结构)。三种密封结构的试验件都经过了液氮、液氦温度条件下的高压试验,证明在低于-253℃,高于35MPa的工作条件下三种结构都能满足技术要求。     

高超声速飞行器热防护技术研究进展和趋势分析

热防护技术是决定高超声速飞行器设计成败的关键要素。高超声速飞行器不同部位将承受不同的力、热载荷,需选择不同的热防护方案。以HTV-2、X-37B和NASA的亚轨道运输飞行器为例,系统介绍三类典型高超声速飞行器采用的热防护方案,并揭示了热防护技术的最新进展。未来,材料工艺技术的发展和创新型热防护方案的研发,将进一步提升热防护系统的技术成熟度和适用范围,为各类高超声速飞行器的设计研制提供重要的能力保障。     

临近空间高超声速飞行器防热材料的发展

简要叙述了临近空间的定义及临近空间的飞行器类型,回顾了美国临近空间高超声速飞行器的发展历程,主要介绍猎鹰计划的研究目标及军事应用,重点介绍猎鹰计划中高超声速飞行器防热材料的发展.     

碳硼烷/ POSS 的制备及性能

碳硼烷是一类优异的耐高温原料,POSS是一类性能优异的耐原子氧化合物.本文利用硅氢加成的方法,将两者有机结合,合成了体型交联型和线型两种碳硼烷/POSS复合材料,并对它们的耐温性能进行了热重分析.这类材料具有优异的耐高温性能,其中体型交联型碳硼烷/POSS复合物在1 200℃空气氛围下不失重,到1 400℃有约5％的增重.线性碳硼烷/POSS复合材料在1 000℃空气氛围下失重约为10％.该类材料有望应用于高速飞行器的涂层.     

高超声速飞行器控制面热防护系统地面试验研究

针对高超声速飞行器控制面研发手段中极其重要的地面试验技术,以X-37轨道飞行器为例,介绍了国外的最新研究进展和关键技术解决途径,以及指导地面试验研究的方法,并针对控制面方案在评估和鉴定中必不可少的高温模态试验,进行了综述和分析。     

飞行器典型结构的热适配分体螺栓连接技术

由于复合材料与高温合金的热膨胀系数差异,导致在高温环境下采用高温合金机械连接件的复合材料组合构件发生预紧力降低。为解决高超声速飞行器热部件的连接难点、保证热结构的高温可靠性,对复合材料部件与高温合金螺栓的连接进行了研究。对一种采用分体式热适配螺栓的方法进行了相关的理论推导,采用典型单元进行的数值模型仿真表明了结果趋势的一致性良好。采用C/SiC局部端框的典型试验表明,这种新的连接设计在不改变以往常规连接强度性能的情况下,可以将820℃条件下的高温剩余预紧力由大约14%有效提升至80%。     

基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导

针对以X-33为对象的三自由度高超声速飞行器,采用相邻可行轨迹存在定理(NFTET)设计了容错制导律以解决再入段执行器发生故障的轨迹重构问题。在标称情况下采用预测校正算法生成满足再入过程约束和终端约束要求的再入轨迹;当执行器发生故障时,飞行器气动参数、结构和舵面力矩都可能发生不可预测的变化,原先的轨迹不再满足制导要求,因此需要设计新型容错制导律。针对实际再入制导模型,基于NFTET设计容错制导算法对轨迹进行重构,得到满足故障情况下制导任务的可行轨迹。从仿真结果中可以看出,容错制导算法生成的新轨迹重新回到了约束范围之内,轨迹呈收敛趋势,使得高超声速飞行器从故障恢复到正常飞行状态,提高了飞行器的自主容错能力。     

考虑气体扩散渗透的隔热材料瞬态隔热性能数值模拟

高超声速飞行器机动飞行时环境压力变化导致隔热材料沿厚度方向存在压力梯度,进而引起隔
热材料内气体的扩散渗透,影响隔热材料隔热性能。为研究气体扩散渗透对隔热材料隔热性能的影响,建立了
隔热材料内气体扩散渗透模型,采用罗斯兰德近似、有限体积法建立了隔热材料内扩散渗透及辐射导热传热计
算模型,对气体扩散渗透条件下的瞬态隔热性能进行了数值模拟。算例模拟结果表明:对2 cm 厚纳米隔热材
料,在外界气压为0. 1 MPa,绝热面为真空的状况下,当渗透率大于10-14 m2 时,气体扩散渗透开始影响隔热材
料内传热,导致隔热性能降低,气体黏性系数对气体扩散渗透有显著影响,随着黏性系数降低,气体扩散渗流现
象显著;衰减系数对绝热面温度响应有显著影响,随着衰减系数增大,绝热面温度响应显著降低。     

高超声速飞行器界面多相催化数值研究进展

随着未来临近空间高超声速飞行器高速度、长航时新需求的提出,飞行器高温流动与热防护系统相互作用凸显,引发极端力学、热学条件下气固界面多相催化等高温界面效应。回顾了高超声速飞行器中界面多相催化理论建模和数值研究历程,重点综述了界面多相催化的给定速率系数模型、含微细观特征的唯象模型、基于微观理论模拟的跨尺度模型的研究进展。总结了作者团队在飞行器界面多相催化效应建模、机理和应用相关方面的研究结果。结合未来飞行器减重、增程、保形的设计需求,进一步提出了国内后续研究的重点方向,以期支撑热防护系统轻量化、低冗余设计。     

增程飞行器高超声速飞行的动态特性

研究了增程飞行器高超声速飞行时的动态特性.短程导弹和火箭弹等高超声速飞行来源于增程的实际需要,从超声速到高超声速飞行所遇到的主要飞行动力学问题是,尽管在增程前低超声速时具有良好稳定性,但在高超声速飞行中会丧失稳定性并导致复杂的锥动.通过飞行和风洞实验表明:高超声速飞行时增程飞行器固有的横侧向稳定特性丧失,带有弱滚转阻尼的不稳定荷兰滚振荡将导致滚转-偏航耦合,此外还存在由耦合导致的轻微不稳定拟周期模态和滚动共振.     

可重复使用热防护材料应用与研究进展

可重复使用热防护系统是为高速重复使用飞行器而发展的关键性技术,涵盖了地球大气环境及非地球大气环境下的弹道式再入、高马赫数巡航等应用场景。根据现有高马赫数飞行器热防护现状,对高马赫数飞行器的主要热防护系统类型、特点和使用场景进行了简要介绍。在此基础上,结合国外里程碑式可重复使用飞行器（X-15、SR-71、航天飞机、X-33、X-37B、Spaceliner等）,梳理了可重复使用热防护材料的应用与研究进展,论述了代表性可重复使用热防护材料的发展、性能、研制进度、特点及应用前景。对国外在可重复使用热防护材料研制中的设计及发展思路,以及所存在的主要问题进行了总结归纳,为可重复使用热防护材料未来的发展提供了思路。     

输入受限的吸气式高超声速飞行器自适应Terminal滑模控制

 针对吸气式高超声速飞行器的纵向运动模型,研究了输入受限时控制系统的设计问题,提出了一种内外环相结合的自适应Terminal滑模控制方法.以迎角和俯仰角速度作为内环控制对象,考虑到气动弹性模态和外部干扰,采用反步设计方法,设计出升降舵的自适应Terminal滑模控制律;以飞行速度作为外环控制对象,采用动态逆设计方法,设计出输入燃料当量比的动态逆自适应控制律,同时利用多层神经网络逼近控制律的饱和特性.基于Lyapunov稳定性理论,证明了采用此控制策略可以保证闭环控制系统的所有信号都是指数收敛至系统原点的一个有界邻域内,同时飞行器的气动弹性模态都是渐近稳定的.仿真结果表明,此控制策略能有效地处理吸气式高超声速飞行器在纵向运动过程中控制输入饱和受限的约束,在完成控制目标的同时,具有良好的过渡过程品质.