高超声速飞行器强度技术的现状、挑战与发展趋势

高超声速飞行器作为一种前沿科技武器装备,对国家安全和利益具有重要战略作用,目前已成为航空航天领域的研究热点,在世界范围内的竞争态势日趋激烈。先进材料与结构设计是支撑高超声速飞行器研制的基础关键技术,极端严酷服役环境下材料与结构的强度问题依然是制约该类飞行器研制的瓶颈。本文回顾了过去几十年来高超声速飞行器领域的结构强度问题和演化特点,结合当前型号发展需求与技术发展趋势,剖析了当前结构强度技术在支撑高超声速飞行器研制方面的现状与短板,探讨了未来该领域内强度问题将呈现出的新需求、新特点及新方法。总结提出了未来高超声速飞行器结构强度领域的前沿发展方向。     

3D打印骨架增强石蜡燃料燃烧机理实验研究

针对固-液混合火箭发动机中石蜡基固体燃料机械性能差的问题,使用3D打印聚合物骨架镶嵌石蜡的方法增强了石蜡基燃料的结构强度,分析了骨架增强石蜡燃料在直/旋流喷注下的燃烧机理。通过对七种骨架材料进行SEM扫描、力学、热力学分析和纯氧条件下的燃烧试验,获得了不同骨架材料的微观表面结构、机械性能、热分解性能以及在纯氧环境下的燃烧性能;使用直/旋流固-气掺混燃烧试验系统,开展了螺旋型和六角型骨架增强石蜡燃料的燃烧试验,并与ABS固体燃料进行了对比。结果显示,在多种骨架材料中,ABS材料加工性能、机械性能及热分解性能良好;燃烧过程中,骨架增强石蜡燃料结构稳定性良好,石蜡液滴主要出现在石蜡-骨架交界处;旋流喷注和螺旋型骨架可促进石蜡液滴的夹带现象;在直流喷注工况中,骨架的凹槽结构增加了燃料与氧化剂的接触面积,尾部骨架结构具有稳焰作用,可促进后燃烧室的掺混燃烧;石蜡燃料和骨架燃速差异较大,发动机内弹道性能可能受此影响。     

基于Realizable k-ε模型的叶盘通道电解加工多场耦合分析

叶盘通道电解加工(ECM)是决定整体叶盘电解加工成形精度的关键工序,其加工间隙不规则、建模困难。基于Realizable k-ε模型建立叶盘通道电解加工的气液两相流模型,根据参数传递关系建立多物理场耦合模型,分析加工间隙内电解液温度、氢气体积分数、电导率等重要参数的分布规律。仿真结果显示电解液在侧面间隙出现涡流现象,使该区域氢气堆积、温度上升,影响工件的成形表面质量,并导致该处的材料蚀除量减小,该结果在试验中得到证实。试验与仿真得出的工件轮廓形状变化趋势一致,试验与仿真获得的端面平衡间隙尺寸分别为0.26、0.33 mm,仿真的相对误差(27%)明显小于经典公式的相对误差(73%)。因此,模型可较为准确地模拟叶盘通道电解加工成形过程,反映各参数对工件成形的影响过程。     

航天器多通道近场无线能量传输系统设计

针对航天领域空间交会对接、航天器配电、在轨服务与维护等领域对无缆化的需求,提出了多通道近场无线能量传输系统,建立了多通道磁耦合近场无线能量传输系统数学模型,分析了影响系统传输效率的重要参数,并对关键参数对系统效率的影响进行了仿真分析。通过线圈高效耦合设计,实现了多通道近场无线能量传输系统的效率最优。所提系统解决了能量的无线传输,并实现多负载接收的问题。通过一台1 000 W多通道近场无线能量传输样机进行了实验研究,结果表明,所提多通道近场无线能量传输装置具有传输效率高的特点,解决了航天器无线能量传输的多负载问题。      

空中飞行演练小记

"七月的天,猴子的脸,"这句话用来形容六月蒙古草原风云变幻、阴晴不定的天气是再恰当不过了。6月25日是主着陆场通信系统专项演练的日子,一大早儿,四子王旗便阴云密布,细雨绵绵。     

紧缩场测试扫描架平面度控制系统研制

扫描架是紧缩场现场校准系统的关键测试设备。扫描架扫描平面度是影响校准准确度的关键指标。本文针对自研的扫描区域为φ6m的大型极化扫描架,设计了一套扫描架平面度实时补偿系统。该实时补偿系统可以实时检测扫描架扫描平面相对于基准平面的位置偏差,并通过伺服补偿机构完成补偿。测试结果表明该实时补偿系统可以准确、快速完成平面度的补偿,与半实时补偿方式相比具有更高的效率及精度。目前,该系统已成功应用于紧缩场现场校准。     

基于释热率分析的钝体贫油熄火过程分析

针对锥形钝体稳定的甲烷-空气预混湍流火焰复杂的熄火过程,采用大涡模拟(LES)与输运方程概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型相结合的模拟方法,研究远离熄火、近熄火及熄火点的火焰和释热率(HRR)数值变化情况,定量分析熄火判据。结果表明:冷态速度模拟结果和实验的相对均方根误差在10%以内,热态误差在20%以内;释热率是否出现在OH和CH₂O重叠的区域,是判断熄火的一个重要参数;远离熄火时,释热率高的区域主要沿内侧剪切层出现;近熄火工况下,释热率在流向轴上闭合,回流区下游也出现较大的释热率;熄火点工况下,较大释热率的区域在回流区下游和上游均有出现;模拟预测的熄火情况和实验PLIF结果一致;平均释热率可作为判断熄火的定量依据,即当钝体后方0.2d处内侧剪切层平均释热率与回流区平均释热率的比值小于4时,发生熄火。      

过渡型凹腔超声速燃烧流动振荡抑制方法

针对长深比为10.0的过渡型凹腔在隔离段入口马赫数为3.0条件下存在的冷流自激振荡现象,提出了一种凹腔内增加肋条抑制振荡的方案。通过试验和数值计算,对该方案抑制振荡的效果进行了检验,并分析了肋条增加前后燃烧室流场结构和燃烧性能的差别。研究发现：通过在凹腔内增加肋条能够消除过渡型凹腔冷流工况下存在的175.8 Hz的自激振荡,燃烧流场也更加稳定;增加肋条后凹腔的稳焰能力有所降低,部分在凹腔未完全燃烧的煤油进入扩张段后继续发生反应,从而使燃烧区向下游延伸、增大,发动机的燃烧效率和净推力分别降低5.4%和8.9%,但推力更加平稳;燃烧室一维平均热流密度峰值由2.9 MW/m²降低至1.8 MW/m²,燃烧室的热环境大幅改善。     

多芯片组件（MCM）用金锡焊带材料电阻率及热导率温度特性研究

对牌号为Au₈₀Sn₂₀的金锡焊带材料在208~423 K的电阻率及热导率与温度的函数关系进行了研究,并对其在多芯片组件（MCM）中的传热效果进行了评估。分别对材料在208~423 K中5个温度点的电阻率及4个温度点的热导率进行了测试,基于理论模型建立电阻率/热导率随温度变化的函数关系,最终采用模拟热扩散数值方法评估材料在高温下的传热能力。结果表明,采用修正函数模型后,金锡焊带材料在208~423 K下热导率与电阻率的关系符合测试结果,随芯片表面温度的边界条件从208 K升高至423 K,采用变温热导率模型得到的热流密度模拟计算结果相比理想化恒定热导率模型的差异性逐渐升高至5.5%。综上,金锡焊带材料热导率与电阻率的关系符合Wiedemann-Franz法则修正后的Smith-Palmer方程,在该材料传热设计时应考虑其热导率温度效应。     

气体自发光在高超声速流场显示中的应用

提出了利用高焓气体自发光作为高超声速流场显示的方法,介绍了在使用高焓运行的激波风洞中,对二维模型的高超声速绕流流场使用此种方法的初步结果,可观察到二维棱形柱的尾流和马赫波的相交。结果表明此种方法不需外加光源,对于结构限制无法设置透明部件的模型,无疑是简单可行的。