Φ1m电弧风洞大尺度防隔热组件烧蚀热结构试验

针对大面积区域高焓、低热流、长时间气动加热环境,对1 m电弧风洞地面模拟试验系统进行了建设与完善,并引入了石英灯辐射辅助加热技术,对400 mm ×400 mm大尺度模型进行了试验,结果表明这种联合加热方式能够有效用于大尺度模型防、隔热及烧蚀热结构性能考核试验研究.     

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.     

材料长时间加热试验及隔热性能预测分析

针对高超声速再人飞行器长时间的气动加热,在电弧加热风洞上进行了热防护系统材料性能的长时间加热模拟试验.实现了电弧加热器加热运行时间长达1000s.本研究对三种多相隔热材料进行了隔热性能探索性试验研究,并进行了数值模拟计算,结果表明:材料的隔热性能与材料的使用环境及内部结构密切相关;相应地增加材料的密度和固体材料的比率有利于降低隔热材料的等效导热系数,并延长材料达到热平衡的时间.     

航天飞行器热防护涂层研究进展

近年来,新研航天飞行器气动热环境往往具有高焓、高热流密度和长时间加热等特点,这促使防热材料的研制朝着低密度、高抗烧蚀、优良隔热等性能的方向发展。受自身材料类型的限制,无论烧蚀型(树脂基)或非烧蚀型(陶瓷基)防热材料都可以通过对烧蚀表面进行涂层处理的手段达到弥补材料性能短板,提高使用性能的目的。本文试图梳理、总结国内外近年来热防护系统用涂层材料的发展状况,探讨各自的优势和缺点,并提出了针对树脂基复合材料热防护涂层可能趋势的推测。     

球锥组合体在热外压作用下的稳定性

球锥组合体作为飞行器头部,热外压稳定性是结构设计的主要问题。本文对薄壳结构进行稳定性分析,将临界外压的有限元计算值与试验修正的理论值进行对比,获得有限元分析的修正系数为0.8;然后采用数值和试验相结合的方法、并考虑材料力学性能的温度效应,对复合材料球锥组合体在热外压载荷下的稳定性进行研究,高温下材料性能退化对临界载荷的影响显著,加热不均匀对临界载荷也有一定影响,线胀系数对临界载荷的影响很小。     

凹腔尺寸对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统性能的影响

针对高超声速飞行器热防护系统(TPS)的设计,对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统展开研究.在数值方法实验验证的基础上,通过求解Navier-Stokes方程得到了带组合热防护系统的鼻锥的流场结构以及壁面热流分布.验证了组合热防护系统的有效性.在逆向喷流条件不变的情况下,进一步研究了凹腔的尺寸变化对其防热能力的影响.研究发现:凹腔的直径越小,深度越深,气动加热值越低.自由来流与逆向喷流形成的回流区在减少鼻锥的气动加热上起到关键的作用.相对于凹腔深度的变化,鼻锥壁面的气动加热更敏感于凹腔直径的变化.      

低速高温燃气流热模拟试验方法和设备

对比分析了两种气流状态参数和两种加热情况下典型前缘部件表面热流密度的相似性,论证了利用亚声速高温燃气流加热方式进行近地空间高超声速飞行工况气动热模拟试验的可行性.针对高超声速飞行器典型钝头锥结构提出“小喷口低速高温燃气流+石英灯”组合热试验方案.通过采用新型高效双腔蒸发管型燃气发生器、新型带保温夹层和耐高温陶瓷内衬的水冷不锈钢高温管道结构,同时引入电加热器预热及燃烧室两路供油方案,使所建低速高温燃气流热试验设备产生燃气流温度达到2100K,φ250mm喷口处平均径向温度分布梯度约3K/mm,具有线性温度控制功能且稳态控制温差约46K,满足24km、马赫数为6典型高超声速飞行器工况驻点区域高温/大热流密度气动热试验要求.      

防热涂层材料热防护性能预测

预测防热涂层热防护性能有三个技术关键：即描述三层结构热响应守恒方程的建立，三层结构热物理性能的确定以及防热涂层表面边界条件的建立，本文用租糙度测量仪测量了表面形貌，表面等高面和表面粗糙度曲线，为建立防热涂层热防护性能的物理模型提供依据。利用参数辨识灵敏度法对防热涂层材料导热系数进行参数估计，取得了有用的结果。分析不同工艺的表面烧蚀特性，建立了三种表面边界条件。本文讨论了涂层材料在加热过程中出现的三层结构的吸热机理，建立不同层反映不同功能的守恒方程。给出了防热涂层热防护性能预测与试验结果的比较，比较的结果是满意的。     

气动加热／热响应耦合分析与试验研究

概述了气动加热与热响应耦合分析技术的国内外研究进展，给出M．《6飞行器零压力梯度部位气动加热与热响应的耦合分析及试验验证方法。气动加热采用工程算法，在自主开发结构温度场计算软件ASTSA基础上，加入气动加热计算模块，实现了气动加热／热响应耦合分析功能。利用全方程热流密度控制技术，完成了气动加热／热响应耦合地面热模拟试验，实现了对耦合分析结果的试验验证。依据上述分析利试验方法，对受气动加热载荷作用的某导弹油箱的温度场进行了入数值计算和试验测试，计算结果与试验结果吻合较好，说明分析方法是正确的，可以用于工程实际。     

固体火箭发动机壳体强度热力耦合分析

为了研究导弹发动机壳体在高空飞行时的温度、应力、应变状态,从而对壳体的结构强度进行校核,研究了导弹壳体气动加热的计算方法,建立了某发动机壳体的三维有限元模型,合理简化气动边界条件,计算壳体温度随导弹飞行时间的变化.对比风洞试验结果,有限元计算结果与试验结果一致性较好.分析了ABAQUS软件热-力耦合实现方法,对该模型施加不同时刻的外力载荷,实现壳体的热-力耦合数值分析.进行热-力耦合联合加载试验,对比计算结果与试验结果,计算结果与试验结果吻合较好.壳体的应力、应变都远小于材料的极限值,壳体结构安全.该有限元计算方法可以用来进行壳体的热-力耦合强度分析.     

An overview of infrared thermography techniques used in large wind tunnels

Infrared thermography (IRT) is used at Onera in large facilities for boundary layer visualization and for heat flux assessment. Modern IR cameras and insulating paints enable efficient visualization of the laminar/turbulent transition region. This technique is now applied in large transonic test facilities. Heat flux assessment is one of the main purposes of hypersonic tests. It is done mainly with IRT and dedicated softwares, while sensors as thermocouples are used to check the reliability of IRT. A 1D data reduction method has been developed to provide the heat flux through temperature measurements. It takes into account thickness and curvature effects. The method has been recently improved to be used with steel models covered with an insulating paint, which provides a high emissivity. The temperature film is converted into a heat flux film, which is be used to extract the useful information. This requires image processing tools that relate every pixel to a point on the model. A new application of IRT is going on in the Onera's high enthalpy hypersonic wind tunnel F4. The camera is used in single-line scan mode because of the short duration of the run. The main difficulty comes from the flow, which is not transparent. The first trial to cope with this kind of optical pollution is encouraging.     

超燃冲压发动机典型部件热防护

通过在电弧加热器上的试验考核,对进气道唇口前缘、注油支杆等发动机典型被动热防护部件的材料选择和热结构设计进行了研究.发展了主动冷却燃烧室热结构计算评估方法,将经过试验验证的热分析程序应用于燃烧室主动冷却结构的材料配置研究.材料C1和C2的进气道唇口前缘经过60s试验后情况良好;材料Z1的注油支杆经历50s试验后情况良好;将主动冷却燃烧室热分析计算程序应用于冷却面板试验,温度测量值与计算值最大相差55K,表明计算与试验符合较好,计算程序可为主动冷却燃烧室结构材料配置的设计研究提供可信的参考数据.研究所获得的经验和技术可应用于全流道超燃冲压发动机的设计与验证.      

液体火箭发动机不同室压下冷却方案适用范围

为了精准评估不同冷却方案对高压液氧烃火箭发动机推力室传热特性的影响,建立了一套再生通道-液膜屏蔽-隔热镀层-辐射换热的整机模型,采用Ievlev半经验模型计算燃气侧壁面的对流换热过程,引入Shruvik安全裕度评估准则,计算推力室径向的分区温度和热流密度。基于某型大推力液氧煤油火箭发动机,研究了不同冷却结构组合的换热能力上限,分析了不同推力室压力对冷却设计方案的影响。结果表明:推力室压力在12 MPa及以下时,可主要依靠再生冷却技术满足冷却需求;在16 MPa及以下时需要配合内冷却环带满足冷却需求;在18 MPa及以下时需进一步设置隔热镀层提高热防护能力;室压在20 MPa甚至更高时,必须采用其他强化换热措施。      

固体火箭发动机用新型涂料热防护设计和试验研究

介绍了某联合动力装置中的共底和环形点火器首次采用新研制的３５００Ｋ高温涂料进行热防护的配方设计、受热计算、涂层制备和试验考核。由环氧改性有机硅树脂基料、专用树脂固体体系和多种形状的硅酸盐填料制成的涂层具有优异的耐高温、隔热和抗烧蚀性能，还能常温固化成形，成功地解决了中型固体火箭发动机中大尺寸、薄壁、复杂型面零件的热防护和过烧蚀难题，有效地提高了发动机的工作可靠性。     

一种修正的Osher通量在高阶WCNS中的特性

将一种基于多维修正的Osher通量运用于高阶加权紧致非线性格式(WCNS)中,该修正通量主要在垂直于激波面的界面上增加耗散,能够改善Osher通量的激波捕捉稳定性,同时对边界层和接触间断的分辨率影响非常小。对修正的Osher通量在高阶WCNS中的特性进行研究,通过数值模拟测试了基于Osher通量的WCNS的激波稳定性、热流预测精度、边界层模拟能力、激波边界层干扰模拟能力,并与Steger-Warming通量和Roe通量进行了对比。结果表明修正后的Osher通量比Harten修正的Roe通量具有更好的激波捕捉鲁棒性,而边界层、驻点热流值和激波边界层干扰的模拟则明显优于Steger-Warming通量。上述结果说明了基于修正的Osher通量的高阶WCNS具有较好的激波捕捉特性、热流预测精度和边界层计算能力。     

不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能

为了实现航空航天等领域高温大热流燃烧装置的有效冷却,研究了不同材料和工艺制成的发汗冷却结构在高温高热流密度下,氢的发汗冷却性能。模拟高压推力室的结构特点和高热流设计发汗冷却试验件,用电弧加热主流空气模拟高温燃气、以氢气为发汗冷却剂对多孔陶瓷、烧结多孔不锈钢和多孔层板材料进行了33次172 s热试验研究。试验的材料设计孔隙率为10%~40%,燃烧室压力为2.7~8.4 MPa,主流燃气温度约为3 600 K,主流空气流量为220~1 490 g/s,冷却氢气流量为9.6~57 g/s,注入率为0.005~0.029。试验结果表明:当冷却剂氢注入率为1%时,主流与多孔陶瓷材料壁面和粉末冶金多孔结构壁面之间的换热分别减少了30%和70%以上;当注入率为3%时,主流与光刻多孔层间结构壁面之间的换热也能降低60%。证明氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。最后还总结得出了常温氢气对高压大热流环境进行发汗冷却的性能关联式。      

径向基函数在高超声速热流插值中支撑点选择的判据研究

在使用径向基函数进行高超声速热流插值时,为了避免传统单一绝对误差判据选择得到的支撑点在热流较小处插值不准确的问题,提出一种双重误差判据下的径向基函数插值过程。这一过程首先使用绝对误差判据选择一定数量的支撑点,再使用相对误差判据标准选择另一部分点。通过数值实验验证同时采用以绝对误差和相对误差为标准选取支撑点的方法,结果表明：采用双重误差判据可以同时保证了热流较大与较小处的插值精度,尤其能避免传统单一绝对误差判据导致插值结果中容易出现负热流的问题。     

磷光热图测热技术研究

磷光热图测热技术基于磷光材料的温度敏感特性,是应用于风洞热环境测量的新型全场热流测量方法,近年来在欧美等国得到了高速发展。在中国航天空气动力技术研究院搭建了一套磷光热图系统,采用20°压缩拐角模型开展了重复性试验及铂薄膜电阻温度计对比和纹影验证试验。试验结果表明：热流测量特征区域结果与纹影照片符合良好;技术自身重复性误差小于5%;平板热流与理论值误差小于10%;与铂薄膜电阻温度计的对比误差小于20%,此误差主要由铂薄膜电阻温度计的测量散布度引起。该技术通过单次试验获得模型全场热环境数据,且能够捕获热流峰值区域,是一种全面高效的热环境测量手段。