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。     

气动加热下金属蜂窝板热响应特性数值模拟

提出一种计算非稳态气动加热下金属蜂窝板内辐射导热耦合换热数值计算方法。将金 属蜂窝夹芯板作为三层平板结构,建立沿厚度方向一维传热控制方程,采用Monte
Carlo方法求解蜂窝腔内辐射换热,有限体积法求解蜂窝板内耦合换热,考虑蜂窝金属与空 气热物性随温度变化,对某结构的正六角形蜂窝板在模拟气动加热条件下两表面温度响应进 行了数值预测,数值预测结果与文献中的实验结果对比表明该方法能够准确模拟蜂窝夹心板 内传热过程;对采用Swann & Pittman当量导热系数经验公式进行蜂窝非稳态表面温度响应 计算可靠性进行了验证,结果表明该公式在计算非稳态气动加热下蜂窝表面温度时存在较大 误差,给出的热面温度过高,冷面温度过低,两表面温差最大相对误差高达140％。     

空天飞行器热防护系统热短路与控制问题研究

空天飞行器盖板式热防护系统(TPS)中存在支架热短路、缝隙辐射热短路问题。用有限元分析软件ABAQUS对这两种情形进行了热分析,结果表明,在再入段典型热载荷下,机体蒙皮各局部的最高温度值相差最大超过100K,机体蒙皮存在局部烧坏的危险。在热防护系统中加入了具有控制热流走向功能的散热片后,结果显示,支架热短路中蒙皮最高温度降低了90.18K,降幅达17.32%,板间缝隙底部最高温度降低了67.97K。在蒙皮局部烧坏危险点上方,散热片很好地控制了热流走向,使热量得到面内方向的分散,机体蒙皮温度分布更加均匀,局部烧坏问题得到了改善。     

中国新一代载人飞船返回舱热控设计优化研究

文章针对新一代载人飞船返回舱再入过程气动热环境和返回舱传热特性,建立了气动热环境下返回舱动态耦合传热集总参数模型,能够描述返回舱防热层内侧蜂窝板、舱体、设备和舱内空气间的导热、对流及辐射动态耦合换热过程。文章应用该模型对典型新一代载人飞船返回舱气动热环境下的传热特性进行了分析,提出了防热烧蚀层内侧铝蜂窝板表面包覆多层隔热材料、增强舱外设备与返回舱壁热耦合、降低设备表面红外发射率等返回舱热控优化设计措施。热控优化措施应用于中国新一代载人飞船试验船,并通过首次在轨飞行验证,在近第二宇宙速度返回气动热环境下,返回舱结构、空气、设备等各项温度指标均满足指标要求,验证了返回舱热控设计的合理性。研究结果可为返回式航天器热控系统设计提供参考。     

Al_2O_3纤维在空间充气式气动阻尼结构中的应用

文章分析了空间充气式气动阻尼结构(IADS)柔性热防护系统(TPS)的性能、特点和结构,及Al2O3纤维的性能,通过介绍美国充气式气球伞、充气式回收飞行器、充气阻尼式再入飞行器的TPS,对Al2O3纤维在IADS中的应用前景进行了展望。     

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。     

气动热作用下的充气式减速器性能研究

为了解高超声速再入时气动热载荷对充气式减速器柔性结构的影响,文章基于松散耦合方法开展了极端热载荷工况下的耦合数值研究。文章首先建立了流固耦合和热固耦合两种模型,分别对比研究了气动力和气动热两种气动载荷对蒙皮结构的影响。结果表明,气动热对结构的影响远大于气动力,在高超声速再入时应重点考虑。之后研究了气动热载荷下充气式减速器防热层各功能层温度分布,结果表明,绝热层隔热效果最为显著,绝热层导热系数增大一倍,内部最高温度升高21.7%,热变形最大值升高10.7%。上述成果为充气式减速器的设计提供了一定的理论依据。     

半刚性机械展开式气动减速技术机构与热防护研究

针对半刚性机械展开式气动减速技术特点,文章首先选取了八棱台气动外形,分析了考虑柔性面变形影响的气动环境特征,然后开展了连杆机构原理设计和柔性防热结构设计,最后进行了机构构型稳定性仿真分析、柔性防热材料风洞试验验证、柔性防热结构套装及气动面展开性能验证。研究显示:八棱台外形棱边处气动热整体上大于柔性面区域且在棱边靠近边缘处出现最大值;棱边处和柔性面区域的气动压力随径向距离变化不大且两处的气动压力水平相当,而气动剪力随径向距离变化明显且棱边处的气动剪力明显大于柔性面区域;整个连杆机构在气动力作用下不发生结构破坏和失稳,能够保证气动面构型稳定性;新研的柔性防热材料经风洞试验考核能够耐受规定的气动力热环境,并能保证气动面背温在机构正常使用范围内;经原理样机验证,机构运动性能及柔性防热结构可折叠性能良好。     

航天飞行器热防护系统的一体化设计

航天飞行器进入大气层时经受强烈的气动加热,需借助于热防护系统以保护其免受气动热的伤害;飞行器机翼前缘和鼻罩是最高温区,该处的温差相当大,热防护措施尤其重要。作为热防护系统一方面要抵抗强热的冲击,另一方面要最大限度地减少气动热传入结构的内壁,这就对防热系统所用材料提出不同的要求。抗热冲击要求材料质密而隔热但又要求质轻,这就是矛盾所在。随着复合材料的发展,这对矛盾可以通过利用不同材料特性把防热系统分层来解决,从而导致一体化设计的概念和方法。本文利用热传导理论对两层结构的防热系统进行一体化设计分析。     

高超声速飞行器防热瓦结构的变厚度轻量化设计方法

针对非均匀气动加热条件下三维复杂防热瓦结构的轻量化需求，基于变厚度设计理念，发展了一种基于网格变形技术（ASD）和热固耦合分析相结合的防热瓦结构优化方法。优化结果表明，基于网格变形技术能够快速有效地解决优化过程中的网格自动更新问题，避免了网格重新划分的耗费及复杂结构网格重构的困难，并得到了光滑柔顺的厚度形状曲线；相比等厚设计，变厚度设计可以有效考虑载荷的非均匀效应，并极大地减轻结构重量；优化后可以更充分发挥防热瓦结构各层材料的承载能力。     

功能梯度材料薄板的热气动弹性数值分析方法及特性研究

对高超声速环境中功能梯度薄板的热气动弹性问题的有限元数值分析方法和特性进行了研究。在考虑了沿板厚方向上非线性温度分布影响基础上,建立了更为精确的功能梯度薄板的热气弹耦合力学模型。采用Eckert参考温度法模拟气动加热效应,进而使用有限元方法求解热传导方程,得到薄板内部的热应力以及物性参数分布,并求解功能梯度材料薄板的控制方程,得到薄板在热应力-气动力-弹性力耦合下的振动特性。结果表明,所提出的基于有限元的数值分析方法能够有效处理该问题的复杂性,并且发现气动加热效应能够使薄板发生热屈曲或者提前进入振动状态,此外还发现当无量纲气动力位于某一“过渡区”内时,薄板行为对初值异常敏感。最后,建立的功能梯度薄板热气弹耦合模型以及相关数值求解方法,能够有效地研究高超声速环境中功能梯度材料薄板的振动行为,相关数值结果对功能梯度薄板的热气弹研究也具有借鉴意义。     

组合动力空天飞行器关键技术

针对组合动力系统的工作特征和空天飞行器的任务特点,总结组合动力空天飞行器面临的主要问题,并梳理了该类飞行器存在的主要关键技术。从气动布局、机体/推进一体化、热防护/热管理、制导、控制、地面和飞行试验等方面,详细阐述各类关键技术存在的难点,总结各类技术的发展现状,并分析给出未来可能的发展途径和方向。相关研究可指导未来组合动力空天飞行器的技术攻关。     

吸气式高超声速飞行器机体推进控制一体化建模方法研究

针对吸气式高超声速飞行器气动力、气动热、结构、推进、飞行轨迹以及姿态之间的多物理场强耦合给飞行控制系统设计带来的问题,提出一种适用于此类飞行器机体/推进/控制一体化设计的建模方法.首先,依据类乘波体高超声速飞行器基本外形参数体系设计飞行器的三维外形;然后在飞行器流场分析的基础上,给出飞行控制系统需要满足的姿态约束条件,并采用一套完整的工程预测方法建立了适合进行飞行控制一体化设计的气动力/推力耦合模型;最后基于拉格朗日方程推导了一体化弹性体动力学模型.模型算例验证了该方法在吸气式高超声速飞行器机体/推进/控制一体化设计中的可行性.     

滑跃式高超音速巡航飞行器设计初步研究

在分析国外滑跃式高超音速巡航飞行器的发展现状基础上,提出了高超音速巡航飞行器的概念设计,对滑跃式高超音速巡航飞行器总体方案提出了设想。选择乘波构型建立了滑跃式高超音速巡航飞行器的气动布局,采用Euler方程数值解法Dahlem-Buck公式和切楔法对气动布局的亚、跨、超、高超音速气动特性进行了计算分析。由结果可见,建立的气动布局可满足总体方案设想中飞行任务要求。对滑跃式高超音速巡航飞行器的动力技术进行了初步研究,分析了采用火箭基组合循环发动机(RBCC)方案所需的燃料消耗。由初步分析计算结果可见,对于Ma≈10的滑跃式高超音速巡航飞行器,采用RBCC作为推进系统,可满足总体方案的技术要求。     

充气式返回舱气动热特性研究

文章针对航天器返回实时性和经济性的需求,以充气式返回舱为研究对象,研究该飞行器从空间站返回过程中的气动特性,重点分析气动热特性。文章通过引入分子运动论、Kemp-Riddell方法、Linear桥函数等计算方法,建立起该飞行器在自由分子流区、过渡流区和连续流区高超声速情况下的表面热平衡方程,得出了该飞行器返回过程中的驻点热流密度和驻点壁面温度。计算分析了该飞行器最大直径D1和半锥角α等几何尺寸对其气动热特性的影响,得到在一定范围内增大D1和α可以有效减小驻点热流密度和驻点壁面温度,并研究在峰值加热高度附近70km、80km处不同马赫数下的气动热特性。在此基础上,依据热防护系统材料和布局,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,分析了结构材料层的温度变化特性。     

大型空间结构热弹性非线性有限元分析

由薄壁管组成的大型空间结构在外层空间受到太阳等星体的辐射加热，其热变形是值得关注的。为了准确地预测这种变形，首先推导了一种梁的热弹性几何非线性增量有限元格式，用以分析该类结构的热-力学响应，然后考虑到空间结构热流输入与变形耦合的特性，提出了一种热-力学耦合分析的有限元方法。对哈勃太空望远镜太阳能帆板热变形的实例计算表明，数值解与理论解符合较好。数值算例表明，结构内部热变形的不一致程度越大，考虑几何非线性对于热变形计算结果的影响越大；热流入射方向角和热变形大小是影响耦合效应的主要因素。     

多级涡轮气热耦合仿真性能及强度对比研究

航空航天发动机中,涡轮工作环境恶劣,承受流动传热耦合作用下强烈的热冲击,其结构强度问题十分突出。分别采用气动仿真和气热耦合仿真对某多级涡轮结构开展气动和强度性能仿真研究,提取相应的热边界条件进行涡轮盘结构强度有限元计算。结果表明:两种分析方法得到的涡轮气动性能十分接近,但涡轮盘表面的温度分布存在较大差异,计算得到的径向变形偏差达16%,等效应力偏差达50~100 MPa,气热耦合仿真结果更为可靠。     

临近空间飞行器多物理场耦合建模的网格映射方法

临近空间飞行器的研制面临许多复杂的问题和挑战,涉及总体、气动、结构、控制、防热、动力等多个学科和专业领域的相互作用、高度耦合的子系统。全系统、全流程的仿真验证与性能评估能够为设计工作提供重要依据,缩短研制周期。而气动、结构、防热等专业的仿真建模和模型解算基于有限体积法或有限元方法,依赖于不同的工具软件,且网格的划分方法不同。本文研究了临近空间高超声速飞行器多物理场耦合建模方法,研究并实现了异构网格耦合界面之间与耦合域之间的信息传递方法,从而实现了临近空间高超声速飞行器的多物理场耦合建模与仿真。