大尺寸结构部件电弧风洞烧蚀试验技术

在现有试验设备能力的基础上,结合超声速导管和冷气包罩试验技术,利用水冷挡板和气冷石英玻璃窗口组合形成包围气流通道,解决喷管出口气流继续膨胀导致流场参数衰减严重的问题,对大尺度翼结构部件进行了流场标定,显示翼面热流衰减量由51.5%~73.6%减少为34.0%~40%,翼前缘最大热流衰减量由68.0%减少为43.7%,模型表面热流分布均匀性有明显提高;同时,相对于壁面完全封闭的导管/包罩试验,透过气冷石英玻璃窗口还可以观察大尺寸结构部件实时烧蚀过程并且测量部件表面温度。研究表明该试验技术能够有效用于大尺寸部件防隔热及热结构性能考核研究。     

大后翼装药固体发动机喷管收敛段绝热层烧蚀

对具有大后翼装药结构的Φ315 mm发动机和全尺寸发动机进行了地面点火试验。试验后对喷管收敛段绝热层按照沟槽和非沟槽部位进行了解剖,得出了各个部位绝热层的烧蚀和炭化数据。结果表明,和药柱翼槽对应的喷管收敛段绝热层烧蚀严重,而非药柱翼槽对应部位的绝热层烧蚀较小。实测的最大烧蚀率可用于同类发动机的方案设计。     

HTV2第二次飞行试验气动热环境及失效模式分析

采用数值模拟和工程计算相结合的方法对HTV2第二次飞行试验的热环境进行了复现,发现在40km以下,翼前缘驻点线会发生边界层转捩,引起前缘热流比层流情况增加55%,最大热流达到11MW/m~2,烧蚀量约为3mm,前缘高热流导致法向应力超过碳布层与层之间的粘接强度,而纵向应力小于碳布拉伸破坏极限。因此本文认为,HTV2第二次飞行试验失利的原因主要是:烧蚀叠加应力破坏,即在翼前缘由于烧蚀导致多层碳布被烧破,从而在翼前缘沿展向驻点线出现较长的破损口,而法向应力导致碳布层与层之间的粘接失去作用,在气动力作用下,可能从烧破的地方开始将碳布掀起,严重影响气动性能,最终导致飞行器无法控制。     

电弧加热器驻点烧蚀/侵蚀试验技术

介绍了在电弧加热器试验设备上进行复合材料烧蚀/侵蚀试验技术,通过改进电弧加热试验设备和粒子播发系统,将石墨粒子均匀注入到高压混合室中,与高温空气混合后经过超声速粒子加速喷管形成烧蚀/侵蚀试验流场,对驻点模型进行试验,同时建立了相应流场参数的测试、计算方法。并对C/C和含钨C/C防热复合材料的抗粒子侵蚀性能进行了初步研究。结果显示有粒子流场的均匀性和重复性较好,能满足材料的烧蚀/侵蚀考核试验要求,且含钨C/C材料的抗粒子侵蚀性能高于C/C材料。     

波反射激励效应抑制超声速射流红外辐射的试验研究

试验研究了波反射装置对高温超声速射流的激励效果并初步分析了其作用机理。主喷管的喉道直径为35mm,进口总压为27.44kPa,进口总温约800K,相应的喷管出口马赫数为1.33左右。结果表明,影响激励效果的主要参数有锥形反射器的扩张角、反射器母线长度和反射器与主喷管的相对位置,并有一个综合最佳值。在最佳结构参数下,激励后的射流轴心温度降低约120K,有望使超声速射流的红外辐射强度降低约40％～50％,红外隐身效果显著。     

超声速湍流流动中平板-楔模型分离、传热和烧蚀试验研究

本研究之目的是为了模拟可控有升力飞行器周围的加热和压力场,研究受热表面的烧蚀现象,以便发展地面的实验能力。在电弧加热器上,利用超声速湍流平板技术,进行控制翼模型分离、传热和烧蚀实验。结果表明,由于翼角前有一条横缝,分离效应减弱,导致产生分离的最小翼角增大。由于分离流动影响,在翼上及其周围压力和热流升高,烧蚀速度大大增加。本文给出了有关的相关公式。     

小推力、长时间工作的固体火箭发动机长喷管烧蚀、冲刷和隔热的试验研究

本文简要地叙述了小推力、长时间工作的固体火箭发动机长喷管的烧蚀、冲刷和隔热问题的试验研究工作。对研制过程中所遇到的不同材料在高温下的热膨胀及喷管穿火和喉部烧蚀、冲刷等问题进行了探讨。着重指出:对烧蚀、隔热采用的不同材料在结构上必须考虑高温下的热膨胀补偿及气体挥发份的逸出;整体钨渗铜喉衬入口处形成的“烧蚀台阶”造成该处流场的严重扰动,是导致喷管穿火的重要因素。另外,对造成钨渗铜喉部烧蚀、冲刷的各种因素进行了分析,认为含有大量固体微粒(A1_2O_3)的高温高压高速燃气流对喉部壁的机械冲刷是主要原因。为此,正确选择整体钨渗铜喉衬内型面结构参数以减小燃气流对喉部的机械冲刷作用是解决喉部烧蚀、冲刷的关键。 试验结果表明,采取相应的改进措施后,目前的长喷管设计是成功的。     

固体火箭发动机碳基材料喷管热化学烧蚀特性

为了准确预示固体火箭发动机碳基材料喷管的烧蚀率,依据热化学烧蚀理论,建立了喷管传热烧蚀的二维轴对称气-固-热耦合计算模型,计算通过FLUENT壁面化学反应模型完成,无需事先假设烧蚀控制机制。针对70-lb BATES发动机喷管进行了烧蚀计算,研究了推进剂配方、氧化性组分、燃烧室压强对喷管烧蚀的影响。结果表明:烧蚀率计算值与试验测试值吻合较好;烧蚀率分布遵循喷管内壁热流密度分布规律,在喉部上游入口处达到峰值;烧蚀率随推进剂Al含量增加而降低,随燃烧室压强升高而近似正比例增大;H2O是决定烧蚀的主要氧化性组分。     

C/C复合材料喷管烧蚀壁面退移流固耦合仿真研究

为了保障固体火箭发动机C/C喷管的可靠性,建立了一套正确反映发动机喷管烧蚀过程的流固耦合计算模型,以实现对喷管烧蚀率的高精度预估。依据热化学烧蚀理论以及喷管内燃气与喷管结构体界面的质量平衡和能量平衡关系,建立并验证了考虑壁面退移的C/C喷管流固耦合方法,实现了燃气流动、异相化学反应、结构体传热三者间的耦合。通过实验发动机喷管的烧蚀计算,论证了模型的正确性,并分析了不同金属铝含量对烧蚀率的影响,计算所得的烧蚀率与实验值最大相对误差为4.3%,与不考虑壁面退移的耦合算法计算结果对比,计算精度最高可提升46%。计算结果表明：C/C喷管在喉部附近烧蚀最为严重;推进剂中Al含量的增加导致燃气中氧化组分浓度降低,进而减少了烧蚀速率,这些结论与C/C喷管烧蚀相关研究结果一致。     

长时间抗强氧化剥蚀固液发动机喷管热结构材料研究

能衔接固体发动机和液体发动机比冲的固液发动机得到广泛研究。由于固液发动机的强氧化剥蚀环境,发动机的主动热防护喷管很难满足长时间工作的需求。利用固液火箭发动机,喷管采用主动热防护方案,完成了工作时间长达200s固液发动机的喷管热结构型式设计、热结构材料制备和热结构材料筛选试验。完成两轮热试验工作。初始状态喷管和改进状态喷管均成功通过长达200s固液发动机热试车考核。研究结果表明:(1)固液发动机喷管的热结构设计与抗强氧化、高温烧蚀和剥蚀的材料制备,是保证喷管长时间稳定可靠工作的两个技术关键。(2)采用复相陶瓷复合材料结构件改进喷管的性能一致性、工作可靠性更高,材料烧蚀率相对更低。(3)改进喷管大幅度地提高固液发动机性能,提升燃烧室内压159%,提高发动机推力43%。     

低密度烧蚀材料高温气动剪切试验研究

利用超声速平板试验技术,对两种低密度烧蚀材料在高焓、低热流(气流剪切力70 N/m~2,冷壁热流密度200 kW/m~2,气流总焓12 MJ/kg,压力1 kPa,试验时间300 s)条件下进行了高温气动剪切试验.试验中通过试验件的不同安装方式,综合考核了材料的性能及工艺.结果表明:两种低密度烧蚀材料试验过程中无明显剥蚀,表面碳层完整,材料的抗剪切性能较好,两种材料表面烧蚀较为均匀,材料间的粘接缝没有明显的开裂,也没有出现冲刷凹槽,材料的热匹配性能较好;材料与底板之间没有脱落现象,粘接工艺较好.     

基于流-固耦合传热的热气防冰系统干空气飞行蒙皮温度场计算研究

以机翼热气防冰系统为研究对象,建立了包含热气防冰系统防冰腔内外流场对流换热和固体结构导热的三维稳态流-固耦合传热物理模型,对整个计算区域生成混合网格,边界条件为第三类边界条件,采用计算流体力学方法以 FLUENT 软件为工具,对干空气飞行状态下流-固耦合传热模型进行了求解,获得防冰腔蒙皮内外表面对流换热系数分布和温度场结果,并对计算结果进行了分析。结果表明：防冰腔铝合金蒙皮沿展向和厚度方向导热显著,温度分布较均匀,防冰引气温度为200℃时,防冰腔蒙皮内外表面上最高温度为101℃,最低温度为21℃,3 mm厚的蒙皮同一点处内外表面最大温差仅为4℃,防冰腔排气口处气体的平均温度为63℃。热气防冰系统蒙皮温度场计算方法和计算结果,能够为热气防冰系统干空气飞行试验设计和测试中温度传感器的选型与布置提供依据。     

TWO DIMENSIONAL SUPERSONIC SHOCK TUNNEL AND ITS APPLICATION

ＴＷＯＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬＳＵＰＥＲＳＯＮＩＣＳＨＯＣＫＴＵＮＮＥＬＡＮＤＩＴＳＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＴＷＯＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬＳＵＰＥＲＳＯＮＩＣＳＨＯＣＫＴＵＮＮＥＬＡＮＤＩＴＳＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ￥ＷａｎｇＳｈｉｆｅｎ；Ｗａｎｇｙｕ；Ｔａ...     

二维超音速激波风洞及其应用

简述了二维超音速激波风洞的设计要点和性能,并给出在该风洞中低凸台诱导激波和湍流边界层相互作用的实验结果。实践表明：在被驱动段和喷管之间安装一个前缘光滑的矩形剖面短管道;并将二维喷管精加工成型,就能获得实验所需的均匀超音速气流。     

用全位势方程计算机翼的亚声速,跨声速和超声速绕流

对大后掠小展弦比细长机翼,本文对机翼纵轴垂直的每一横流截面生成O型网格,形成对机翼流场的H-O型网格,用守恒型全位势方程、差分和隐式近似因式分解迭代算法计算绕机翼的可压缩位流。自由流可从亚声速直到低超声速的全部跨声速范围。本算法要求机翼前缘有大后掠角,后缘可稍许后掠或前掠。本文算例表明,所研制的计算程序已可提供工程实用。     

超,高超声速机翼俯仰导数的欧拉方程摄动解法

应用片条理论，将文献（１）的尖前缘任意翼型的俯仰稳定性导数的计算方法作、推广、用于计算任意平面形状的三维机翼。在各种特殊的情况下，其计算结果与现有的理论都符合得很好。在激波附体的条件下，本文的计算方法可用于计算任意迎角。任意平面形状机翼的超、高速声速俯仰稳定性导数。     

Supersonic drag reduction technology in the scaled supersonic experimental airplane project by JAXA

Anticipating the international cooperative development of a next generation supersonic transport (SST), Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) has developed an advanced drag reduction technique as one of the key technologies that will be required. JAXA's technique is based on an aerodynamically optimum combination of well-known pressure drag reduction concepts and a new friction drag reduction concept. The pressure drag reduction concepts are mainly grounded in supersonic linear theory and involve the application of an arrow planform, a warped wing with optimum camber and twist, and an area-ruled body. The friction drag reduction concept is a world-first technical approach that obtains a natural laminar flow wing with a subsonic leading edge at supersonic speed. An ideal pressure distribution is first designed to delay boundary layer transition even on a highly swept wing, then an original CFD-based inverse design method is applied to obtain a wing shape that realizes the pressure distribution. An unmanned and scaled supersonic experimental airplane was flown at the Woomera test field in Australia in October 2005 to prove those concepts. Flight data analysis and comparison of flight data with CFD design data validated the drag reduction technique both qualitatively and quantitatively.     

Damage sensitivity of a wing-type leading edge structure impacted by a bird

On the windward side of an aircraft, the components with higher probability of impact with birds are the wing-type leading edge structures, such as the wing and tail. A study on the damage sensitivity of a wing-type leading edge structure under bird strikes was presented in this paper. First, a bird strike test was carried out on a wing. The principles of the bird strike test equipment and method were introduced in detail, including the bird strike test system, bird projectile production process and data acquisition system. The dynamic strain measurement results, the high-speed camera videos, and the final deformation and damage morphology observations of the structure were obtained. Based on the coupled Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) - Finite Element Method (FEM), the commercial software PAM-CRASH was used to simulate the process of a bird strike with the wing. The good agreement between the finite element simulation results and the experimental results shows that the calculation method and the numerical model presented in this paper were reasonable. On this basis, wing-type leading edge structures can be designed by adding triangular support. The bird strike resistances of an original structure and improved structure were studied by numerical simulation. The calculated results show that the improved wing-type leading edge structure is less damaged than the original structure under bird strike. The improved leading edge structure satisfied the anti-bird strike airworthiness requirements, as the thickness of the triangular support was 1.2 mm, and the weight of the structure was reduced by 0.87 kg compared with the original structure. This indicated that the bird strike resistance of the improved structure is better than that of the original structure, and the improved design of the wing-type leading edge structure presented in this paper is reasonable.