航天功能复合材料发展现状及趋势

文章综述了航天功能复合材料的发展现状及趋势,内容包括各种类型的功能复合材料及主要应用领域。对当前用于航天领域的热防护功能复合材料分别作了重点介绍,包括航天器热防护系统及材料、抗烧蚀热防护复合材料、梯度功能复合材料以及它们的组成、作用机理和主要应用。最后探讨得出功能复合材料的发展趋势是高性能化、多功能化和低成本化。     

先进舰载战斗机腐蚀防护控制与日历寿命设计

舰载战斗机是航母编队战斗力的重要组成部分,但由于其复杂恶劣的服役环境,舰载机腐蚀防护控制与日历寿命设计问题已经成为限制海军航空兵战斗力保持与提升的关键难题。腐蚀防护与控制应贯穿舰载机全寿命周期,本文以此为总体思路,首先系统梳理了舰载机在综合设计、材料与涂料选择、制造与使用过程中腐蚀防护与控制的诸多要点与细节。然后针对舰载机日历寿命设计问题,在详述环境谱、加速谱编制原则、编制方法及基本构成的基础上,基于案例阐明腐蚀仿真技术是舰载机日历寿命设计的可靠高效手段,可为相关问题的后续研究提供创新思路。最后指出腐蚀监测是舰载机腐蚀防护控制过程中亟待解决的难题。     

某超声速飞行器保护罩用弹射器的高温防护特性

某型弹射器应用于超声速飞行器保护罩的连接固定与弹射分离。由于保护罩位于飞行器头部,受到气动阻力的影响,升温迅速。为了保证弹射器能够在飞行过程中正常安全工作,使装药部位的温度满足火药安全使用要求,需要对其采取热防护措施。文章围绕弹射器的耐高温性能设计开展了相关理论分析、数值仿真及试验验证工作。通过减小热传导途径,优化产品结构设计,采取隔热、相变吸热等措施降低弹射器内部的环境温度。经过热传导试验验证,在模拟飞行器极端的高温环境条件下,弹射器结构能够有效降低热传导效率,保证主装药部位的温度满足火药安全使用要求。该方法为航天火工装置的高温防护设计与验证提供了有效的技术途径。     

Limit protection design in turbofan engine acceleration control based on scheduling command governor

A new limit protection method based on Scheduling Command Governor (SCG) is proposed for imposing multiple constraints on a turbofan engine during acceleration process. A Gain Scheduling Controller (GSC) is designed for the transient state control and its stability proof is developed using Linear Matrix Inequalities (LMIs). The SCG is an add-on control scheme which manages engine limits effectively based on reference trajectory optimization. Unlike the traditional min–max architecture with switching logic, the SCG method utilizes the Linear Parameter Varying (LPV) closed-loop model to form a prediction of future constraint violation and per instant solves a constraint-admissible reference within an approximate Maximal Output Admissible Set (MOAS). The influence of the variation of engine dynamic characteristics and equilibrium points during transient state control is handled by the design of contractive sets. Simulation results on a turbofan engine component-level model show the applicability and effectiveness of the SCG method. Compared to the traditional min–max method, the SCG method has less conservativeness. In addition, the design of contractive sets makes conservativeness tunable.     

高超声速飞行器主动冷却系统优化设计

以碳氢燃料为冷却剂的主动冷却系统是进行高超声速飞行器热防护最有效的方法之一。在满足工作要求的情况下,应尽量减小主动冷却系统的质量,实现飞行器的轻质化目标。利用MATLAB@2007软件对高超声速飞行器燃烧室的主动冷却系统进行了优化设计,计算了冷却通道在满足各项热负荷条件下,系统的最小质量以及此时所对应的冷却通道各项尺寸。选择了Inconel X-750、Inconel 625和Hastelloy X 这3种不同的镍基合金分别当做冷却通道固壁材料,并且在主动冷却系统的近燃烧侧引入热障涂层,以分析不同材料和有无热障涂层对系统轻质化的影响,为高超声速飞行器主动冷却系统的材料选择和优化设计提供了理论依据。     

民用航空发动机短舱雷电防护设计及验证

为了有效降低短舱雷电防护设计和验证的难度,针对短舱的雷电防护设计和验证,提出一种导电路径仿真与关键连接结构仿真、试验迭代的研究方法。对整个短舱进行雷电流传导路径设计及简化建模,分别讨论不同传导路径方案对雷电直接效应和间接效应的影响。结果表明:优化的多路径传导可有效减小传导结构的雷电流分量和短舱内的脉冲电磁场;依据整体短舱电流分布仿真结果,可导出具体连接结构的电流分量作为其设计和验证的依据。所提出的方法可作为短舱雷电防护设计和验证的理论依据。     

碳化材料三维烧蚀热响应有限元计算研究

针对碳化烧蚀热防护材料三维温度场计算问题进行了研究。采用弹簧松弛法模拟防热层表面后退运动,应用化学反应动力学模型描述材料内部热解过程,内部温度场计算模型考虑了防热材料的热传导、热解吸热、热解气体在碳化层内的流动以及热解气体与碳化层之间的热交换。对控制方程采用有限元方法进行离散,时间方向采用Newton-GMRES隐式迭代推进求解。将计算结果与经典程序的计算结果及实验数据进行了比对,初步验证了计算方法的可靠性,并通过球头算例展示了程序对三维问题的良好处理能力。     

超燃冲压发动机再生冷却技术研究进展

针对超燃冲压发动机内部苛刻的工作环境,总结了再生冷却技术在裂解传热和工程化应用方面的研究进展.介绍了再生冷却过程中碳氢燃料的热裂解模型和传热研究的最新发现,认为裂解机理的研究制约着数值方法的发展,并影响着真实条件下的传热现象研究;分析了煤油再生冷却技术工程化应用的典型方案,复杂的耦合特性与材料间的工艺结合问题分别限制了系统多样化功能和主被动结合热防护技术的实现.目前需要在裂解机理的基础上构建可靠裂解模型和高效的数值计算方法,并广泛开展冷却通道内传热恶化和耦合现象的研究;重点解决系统中的耦合机理和材料间的工艺结合问题,从而推动超燃冲压发动机的工程化应用.     

氩气保护镍基复合镀层中增强相热稳定性研究

研究了Ｎｉ－Ｂ４Ｃ复合镀层中，增强相Ｂ４Ｃ颗粒的热稳定性及镀层组成和性能的相应变化。金相显微结果表明，Ｂ４Ｃ颗粒在５００℃时开始分解，至８００℃分解完毕。Ｘ－ｒａｙ衍射、ＸＰＳ试验证实Ｂ４Ｃ颗粒分解后与Ｎｉ生成新相Ｎｉ３Ｂ，而且，由于Ｂ元素有着向镀层表面聚集的趋势，导致Ｎｉ３Ｂ首先在邻近表面的镀层中出现。Ｂ４Ｃ颗粒的分解，极大地降低镀层的硬度，但能有效地提高镀层的抗氧化能力。因此，Ｎｉ－Ｂ４Ｃ若作为耐磨材料，使用温度不宜大于５００℃，倘若利用它的抗氧化能力，即使在８００℃高温下，仍能耐受相当长的时间。     

基于L-M算法的液体火箭推力室壁面热流密度测量方法

为获取液体火箭推力室热防护方案构建的基础数据,结合单点瞬态法,提出了基于L-M算法测量壁面热流密度的方法。通过模拟热流密度分析算法中关键参数对求解精度的影响,给出关键参数的选取建议。在此基础上,对过氧化氢煤油推力室典型试验工况进行热流密度测量。结果表明：圆筒段末端壁面热流密度为3.35MW/m²,喉部位置单组元工况下壁面热流密度为2.21MW/m²,双组元工况下壁面热流密度为10.59MW/m²,热流密度变化过程与室压变化过程完全对应。变工况过程中近壁处燃气温度存在恢复过程,燃气温度稳定后,壁面热流密度也达到稳定状态。本文提出的方法可迅速、准确地测量推力室壁面热流密度。