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。     

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。     

壁面温度对斜爆震发动机进气道流动特性影响的数值研究

为研究壁面温度条件对层流、转捩、湍流状态下斜爆震发动机进气道流场结构、流场参数的影响,选取Ma10级、具有曲面压缩段的斜爆震发动机进气道为研究对象进行数值模拟,对进气道壁面附近激波诱导分离区、热边界层的变化进行了深入探讨。数值模拟结果表明,进气道肩部圆弧过渡段出现的再层流化现象,壁面冷却对其起抑制作用,绝热壁面条件下再层流化程度最为严重。壁面温度的增加有利于延缓流动转捩,同时也导致了分离区尺寸的增加以及转捩、湍流状态下分离区主体位置逐渐前移,进气道内通道的转捩为分离诱导转捩,转捩位置主要受到分离点位置的影响,整体表现为壁面温度增加转捩位置前移。进气道出口顶板侧热边界层厚度随着壁面温度的增加逐渐变厚,转捩状态下热边界层厚度变化可达5%,温度峰值也随着壁面温度的增加逐渐增加,且峰值位置逐渐靠近壁面。壁面温度条件相同时,层流状态下热流、热边界层厚度均较小。转捩、湍流状态下进气道出口顶板侧热边界层较厚,约为层流状态3倍,同时转捩、湍流状态下热边界层厚度相差可达2%。     

组合动力用过氧化氢煤油推力室热防护方案设计方法

本文面向组合动力对过氧化氢煤油推力室的应用需求,建立工程计算方法以进行热防护方案设计。通过修正燃气对流换热系数和引入液膜分解率完善工程算法,使工程计算结果与三维流固热耦合计算结果和实际试验结果符合较好。在此基础上,对组合动力用推力室进行热防护方案设计,结果表明：采用头部过氧化氢液膜和身部过氧化氢再生的方式可实现可靠热防护,其中,液膜流量在氧化剂中占比为30%。采用上述研究思路具备开展快速方案论证的能力,可在众多方案中选出热防护性能较优的方案。     

高超声速流动壁面催化复合气动加热特性

针对高超声速流动壁面催化特性,计算了不同壁面催化复合系数条件下的球锥驻点热环境。引入了经验证的数值求解Navier Stokes方程的方法,在不同壁温500K～2500K的条件下分别分析了O 2和N 2气体在壁面处的催化复合气动加热特性,得到如下结论：（1） 原子复合放热将提高近壁面温度梯度,改变近壁面组分分布;原子复合放热一部分加热飞行器形成组分扩散热流,一部分加热近壁气体提高近壁温度梯度。（2） 在壁面催化复合系数较小时,原子复合放热主要转化为组分扩散加热,对于不同壁面温度,壁面催化复合系数α<0.1时,单一气体反应组分扩散热流小于总热流的20%。     

载人飞船密封舱漏热问题研究

密封舱漏热是载人飞船热控系统设计中必须考虑的一个关键因素,是影响飞船热平衡和舱内温度的一项重要参数。建立了求解密封舱漏热的热物理模型,分析了各种参数对密封舱漏热的影响。结果表明：（1） 在一定温度范围内,密封舱漏热与舱内空气温度近似呈线性关系;（2） 返回舱漏热高于轨道舱,主要原因是导热热阻的基数偏小;（3） 漏热随外热流增大而减小,返回舱漏热波动较大,调节其热控涂层的α_S和ε_h值将导致返回舱漏热和漏热波动出现相反变化,为同时减小漏热和漏热波动,推荐采用较低α_S和ε_h 值的热控涂层;（4） 返回舱漏热受舱内壁对流换热系数影响较大,特别在2W/(m^2·K)附近。
     

Thermal protection system development,testing, and qualification for atmospheric probes and sample return missions: Examples for Saturn,Titan and Stardust-type sample return

The science community has continued to be interested in planetary entry probes, aerocapture, and sample return missions to improve our understanding of the Solar System. As in the case of the Galileo entry probe, such missions are critical to the understanding not only of the individual planets, but also to further knowledge regarding the formation of the Solar System. It is believed that Saturn probes to depths corresponding to 10 bars will be sufficient to provide the desired data on its atmospheric composition. An aerocapture mission would enable delivery of a satellite to provide insight into how gravitational forces cause dynamic changes in Saturn’s ring structure that are akin to the evolution of protoplanetary accretion disks. Heating rates for the “shallow” Saturn probes, Saturn aerocapture, and sample Earth return missions with higher re-entry speeds (13–15 km/s) from Mars, Venus, comets, and asteroids are in the range of 1–6 KW/cm². New, mid-density thermal protection system (TPS) materials for such probes can be mission enabling for mass efficiency and also for use on smaller vehicles enabled by advancements in scientific instrumentation. Past consideration of new Jovian multiprobe missions has been considered problematic without the Giant Planet arcjet facility that was used to qualify carbon phenolic for the Galileo probe. This paper describes emerging TPS technologies and the proposed use of an affordable, small 5 MW arcjet that can be used for TPS development, in test gases appropriate for future planetary probe and aerocapture applications. Emerging TPS technologies of interest include new versions of the Apollo Avcoat material and a densified variant of Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA). Application of these and other TPS materials and the use of other facilities for development and qualification of TPS for Saturn, Titan, and Sample Return missions of the Stardust class with entry speeds from 6.0 to 28.6 km/s are discussed.     

"神舟七号"飞船热控分系统设计和在轨性能评估

针对出舱活动飞船热控设计难点,简要介绍了其热控方案,并对热控分系统在轨飞行数据进行了深入分析,综合评估其在轨工作性能.飞行试验表明,飞船在待发及上升段、自主运行段、出舱活动段、返回再入段,热控分系统均具有良好的温度调控能力和适应能力,整船仪器设备温度及密封舱空气温湿度均满足指标要求.     

交直流电压转换标准的研制

介绍了实现交直流电压有效值测量的多种方式,分析了多元热电变换器产生交直流转换差的多种原因,说明了能够输出100mV热电势的多元热电变换器的研制方法,解决了其中一系列的关键问题。其中采用热偶过渡结构降低了端部效应的影响;采用回线加热结构及适当增加热偶对数和输入电流,使输出电压得到大幅提高,降低了灵敏度引入的不确定度;将计算机作为测试过程的控制和运算的中心,进一步提高了多元热电变换器的测量准确度。比对实验的结果表明：所研制的多元热电变换器的测量不确定度在10^-6量级（k=2）。     

ZrB2基超高温陶瓷材料的抗热震性能

通过水淬法对原位合成与热压烧结制备的组分为ZrB2-20%(体积分数,下同)SiC-6.05%ZrC陶瓷材料的热震性能进行了研究。对比了不同热震温差、室温水(25℃)与沸水冷却环境、单次与五次循环热震次数以及高温氧化对原位合成试样抗热震性能的影响。计算了原位合成与热压烧结两种工艺制备的同组分试样的抗热震参数,结合试验结果探讨了材料的抗热震机理。结果表明,原位合成试样的抗热震性能优于热压烧结试样。