发动机燃烧室内壁材料热环境的气动热试验模拟技术研究

利用超声速矩形湍流导管和等离子电弧加热器模拟了发动机燃烧室内流和高超声速飞行器外壁面外流热环境,进行了平板表面冷壁热流测量和燃烧室内壁材料考核试验。结果表明:由于辐射换热的影响,在选取的两个典型来流条件下,发动机燃烧室内流热环境下的冷壁热流比外流热环境下的高出21%和40%,但是冷壁热流的增量基本相当,约为0.70～0.80MW/m2。随着冷壁热流的增加,辐射换热产生的热流增量的影响力会逐渐减小。材料考核时,相同配方的C/SiC复合材料在内流热环境下的表面温度高出约400℃,背面温度高出约90℃,这种差异对于发动机燃烧室内壁面材料考核至关重要,必须在材料考核试验中加以考虑。     

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/酚醛复合材料烧蚀性能的实验研究

总结了电弧加热器湍流导管试验装置上对碳／酚醛复合材料的烧蚀试验结果，利用多元线性回归方法。拟合出烧蚀材料的有效烧蚀焓与冷壁热流密度、壁面压力的关联式。在一定热流、压力范围内可以很方便地计算出碳／酚醛复合材料的有效烧蚀焓和质量烧蚀率。     

导管内塞式量热计热流测量实验及数值模拟研究

对电弧风洞中超声速湍流导管内塞式量热计进行改进,采用测热端与校测件线接触的量热计和测热塞块边缘与校测件有0.4mm 缝隙的量热计。与传统的塞式量热计热流测量值进行对比,实验结果表明,在低压、低冷壁热流条件下3个量热计输出特性较接近;而随着压力、冷壁热流的增加,线接触量热计测量值略有降低,而测热端与校测件有缝隙的量热计测量值大幅增加。最后,通过数值研究了缝隙内的流动对热流测量的影响,同时,模拟了其它来流条件不变时来流马赫数对缝隙内流动的影响。     

电弧风洞中基于TDLAS的气体温度和氧原子浓度测试

电弧风洞是对防热材料/结构进行地面考核的关键设备,其流场参数是评估设备性能和品质的关键数据。由于高温气流的恶劣环境,尚无有效诊断手段。本文使用可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS),针对气流中氧原子,选用氧原子特征吸收谱线(λ=777.2nm),测量了电弧风洞中水冷平头圆柱体模型脱体激波后的气体温度和氧原子数密度,试验测量与工程计算结果较为一致。试验显示出TDLAS具有高温电弧风洞应用的潜在优势。     

ADN基推力器中红外吸收光谱燃烧诊断

ADN（二硝酰胺铵盐）基单组元绿色推进技术是空间推进领域的国际研究热点,目前国内外对ADN基推进剂分解和燃烧过程缺乏统一、完善的燃烧动力学机理,尤其欠缺对推力器内部燃烧过程和关键中间产物定量信息的实验研究。本文通过发展先进中红外光谱诊断技术（QCLAS）,实时诊断ADN基推进剂分解、燃烧反应中的CO,N₂O多种关键组分浓度、燃气温度等关键参数。推力器稳态点火测量结果验证了ADN推进剂催化分解和燃烧两步反应阶段理论研究,脉冲点火下组分浓度变化规律呈现与脉冲序列一致特性,验证了推力器正常工作的稳定性和可靠性。基于测量结果初步评估了ADN基推力器性能,特征速度达1130m/s,达到同类型肼推力器标准,验证了该绿色推力器良好的应用前景。     

电弧加热器高温流场激光吸收光谱诊断

气流温度和组分粒子数密度是定量评估电弧加热器运行参数和流场品质的关键,常规测试手段难以适应电弧加热器内高温气流的恶劣环境,电弧加热器等离子体气流诊断研究一直缺乏有效手段。本研究应用激光吸收光谱技术,选用原子O（777.19nm）谱线,基于局部热化学平衡等离子体假设,对电弧加热器内高温离解空气（＞5000K）试验气流进行在线诊断。试验测得了总焓H₀=15.8,17.4MJ/kg 2组工况下,电弧加热器内等离子体气流温度和原子O粒子数密度。2组工况获得平均气流温度分别为5843和6047K,对应高温平衡气流表获得气流温度为5950和6335K。测得加热器运行稳定后2组工况的原子O总粒子数密度在（1.1~1.2）×1018cm-3之间,低能级5S₂0粒子数密度在（1.0~1.6）×1010cm-3之间,2组工况原子O总粒子数密度的差异与NASA-CEA平衡计算结果一致,验证了电弧加热器气流局部热力学平衡假设的有效性。本研究工作验证了激光吸收光谱技术可作为高焓电弧加热器常规诊断手段。     

发射光谱诊断电弧加热器漏水故障的试验研究

电弧加热器是飞行器热防护系统地面考核试验的首选设备。电弧加热器在运行时,由于其电极工作在高温环境,普遍采用高压水进行冷却,试验中存在着由于电极烧穿漏水导致加热器严重烧损的风险。由于高温气流的恶劣环境,目前尚无有效监测手段。本文作者建立一套以氢原子Hα（656.28nm）和氧原子（777.19nm）发射谱线作为目标谱线的发射光谱监测系统,通过分析电弧加热器故障条件和正常运行下高温流场中的发射光谱特性,诊断某高焓电弧加热器因烧蚀出现的电极漏水故障,并在考虑温度误差的前提下对该光谱测量系统测量灵敏度进行评估,获得了A、B两种试验状态下的漏水探测极限:A状态下约为1.85～0.94g/s;B状态下,2.12～0.98g/s。试验结果表明,发射光谱应用于电弧加热器漏水故障诊断是切实可行的。     

涂层材料长时间气动加热实验研究

分两个方面介绍了涂层材料低热流长时间气动加热试验情况.先对涂层材料进行试验筛选,再将性能较好的涂层材料制作成大尺度球锥模型,考核其整体热结构性能及粘接工艺.该试验研究利用了湍流导管试验技术,并将传统的用于高热流、短时间运行的亚声速电弧包罩试验技术拓展到低热流、长时间加热领域,成功进行了小尺度平板模型和大尺度球锥模型的长时间气动加热试验,试验时间达600 s,试验过程中流场参数稳定.试验结果表明,筛选出的涂层材料整体热结构性能及粘接工艺较好.     

电弧加热流场湍流度对尖锥边界层转捩影响的研究

电弧加热流场的热环境特性直接影响热防护系统的地面试验数据,由于电弧加热器高温气流和参数波动的原因,直接测量湍流度非常困难。为研究电弧加热流场湍流度对于边界层转捩的影响,采用红外热图热像仪,在电弧加热流场中进行了5°尖锥模型边界层转捩研究。结合数值计算,将试验结果与常规风洞的尖锥边界层转捩结果进行了比较。结果表明：马赫数影响的雷诺数转捩判别准则可以用于计算电弧加热流场的转捩雷诺数;电弧加热流场的尖锥边界层转捩雷诺数显著小于常规风洞的转捩雷诺数,表明在该试验条件下,电弧加热流场的湍流度显著大于常规风洞。