高超声速飞行器界面多相催化数值研究进展

随着未来临近空间高超声速飞行器高速度、长航时新需求的提出,飞行器高温流动与热防护系统相互作用凸显,引发极端力学、热学条件下气固界面多相催化等高温界面效应。回顾了高超声速飞行器中界面多相催化理论建模和数值研究历程,重点综述了界面多相催化的给定速率系数模型、含微细观特征的唯象模型、基于微观理论模拟的跨尺度模型的研究进展。总结了作者团队在飞行器界面多相催化效应建模、机理和应用相关方面的研究结果。结合未来飞行器减重、增程、保形的设计需求,进一步提出了国内后续研究的重点方向,以期支撑热防护系统轻量化、低冗余设计。     

国外新型热管式空间辐射器研究进展

热管式空间辐射器（HPR）具有良好的传热及抗碎片撞击性能,是最有应用前景的空间辐射器之一。文章对国外（主要是美国）热管辐射器研究进行了调研,重点介绍了单槽道热管辐射器、轻质可控热管辐射器、高温热管辐射器以及用于卫星精密热控的热二极管辐射器等4种新型热管辐射器的研究现状,包括研究机构、目的、研究的主要方法及成果等,并简要...     

时变热辐射环境下高温合金蜂窝板三维热变形测量

轻质、高强和隔热性能优良的蜂窝合金板结构已广泛用于航空航天领域,其在模拟瞬态气动热环境下的热变形是高速飞行器热防护结构设计的重要参数之一.首先,用自行研制的红外辐射瞬态气动热实验模拟系统模拟与其服役环境类似的时变热辐射环境,用新型"主动成像"三维数字图像相关(3D-DIC)测量方法对高温合金蜂窝板结构试件在时变热辐射环境下不同时刻的三维热变形进行了测量.其次,为保证三维数字图像相关测量方法能有效实施,提出一种制作稳定的大面积高温散斑新方法,该方法制作的高温散斑能在整个实验过程中保持稳定,可作为高温变形的有效载体.最后,用Hoff等效刚度理论计算高温合金蜂窝板在稳态时的最大翘曲位移.研究结果表明:210 mm×210 mm的高温合金蜂窝板在单侧面辐射加热条件下其面内变形为均匀热变形,而离面变形为轴对称的翘曲变形,在900℃时其最大离面翘曲位移约为1.6 mm;Hoff等效刚度理论计算结果与实验结果相吻合.      

氮化物基陶瓷高温透波材料的研究进展

氮化物基陶瓷材料具有高强度、高模量、耐高温、抗热震和透波等优异的综合性能,是高温透波构件的主要候选材料,目前应用报道较少,制备工艺和性能有待进一步完善和提高。本文综述了氮化物陶瓷、氮化物复相陶瓷及氮化物陶瓷基复合材料的研究现状,发现多孔氮化硅陶瓷、BN-Si3N4复相陶瓷和BNw/Si3N4复合材料的综合性能较为优异,可达到介电常数低于5,介电损耗低于0.01,室温弯曲强度高于200 MPa的水平。本文分析了氮化物基陶瓷高温透波材料研究的现存问题,主要是力学性能与介电性能难以协同提高;最后对高温透波材料体系的选择及其制备工艺的未来发展方向进行了展望。     

TC17钛合金高温超高周疲劳实验

自主研发了高温超声疲劳(20kHz)实验系统,并完成了TC17钛合金在室温、200℃和350℃条件下的疲劳性能实验研究.结果表明:TC17钛合金的动态弹性模量随温度升高呈线性减小.S-N曲线在室温下呈直线下降趋势,但在200℃和350℃条件下,S-N曲线在疲劳寿命为107周次处出现明显的拐点.断口分析表明疲劳裂纹萌生于试件表面或次表面,没有发现裂纹萌生于内部的情形,TC17钛合金的裂纹萌生可不依赖于试件内部的夹杂物或缺陷.高温不仅促进了裂纹的萌生还促进了裂纹的扩展.     

辐射加热对返回舱气动热环境影响的数值研究

基于高超声速再入飞行器气动热环境预测分析的需要,建立了高温非平衡气体辐射加热对飞行器热环境影响的计算分析手段。采用数值求解化学非平衡N-S方程的方法,对返回舱绕流流场进行模拟,获得高温空气组分质量分数和温度等流场参数分布。基于辐射传输方程,考虑高温气体组分的主要辐射机制,计算分析高温流场气体辐射加热对返回舱热环境的影响。分析表明,在同一飞行弹道条件下,返回舱大底半径尺寸对气动加热的影响较大,在再入热环境严酷区,辐射加热对物面总热流的贡献达30!;产生辐射加热效应的主要机制是高温流场中O和N原子产生连续谱和线状谱以及N2的第一正带系;物面催化效应对辐射加热影响不大。     

K403与DZ4高温合金的大间隙钎焊

采用两种含钨钎料N171,N300和Rene'95高温合金粉末对K403与DZ4高温合金的大间隙钎焊工艺进行了研究。试验结果表明,在钎焊接头间隙中预填合适粒度的Rene'95高温合金粉末,可实现K403+DZ4的大间隙钎焊。焊后在较高温度进行较长时间的扩散处理,可明显改善大间隙钎焊接头组织,并防止其焊后固溶处理时发生严重重熔,但为避免高温合金粉被钎料过分溶解,在高温扩散处理前,应先在较低温度进行一定时间的热处理。采用N300钎料、预填Rene'95粉钎焊的K403+DZ4大间隙接头经焊后扩散处理,具有良好的高温力学性能,接头900℃的拉伸强度达铸态K403母材的92%,980℃/126MPa条件下持久寿命为135h;再经固溶处理后,接头900℃的拉伸强度超过铸态K403母材水平(677MPa),持久寿命也略有提高。     

镍基合金空心叶片浇铸用硅基陶瓷型芯的制备及性能

采用热压注工艺成型氧化硅基陶瓷型芯。分析焙烧后型芯的化学成分、微观结构、孔隙率、线膨胀系数以及力学性能。结果表明:型芯的孔径呈多峰分布,且主要分布在0.1～5μm之间;从室温至1400℃,型芯的线膨胀系数随温度的升高而减小,在1170～1350℃之间其线膨胀系数下降趋势骤然加剧;经1200℃焙烧制备的陶瓷型芯主晶相为β-方石英相与无定形石英玻璃共存,经1550℃高温2h处理后型芯烧结程度提高,骨架致密度增大,孔结构更加分明,表面及内部裂纹的数量、长度均增大。采用实验室自制的硅基陶瓷型芯进行镍基高温合金单晶空心叶片的浇注实验,结果表明所制备的型芯可以满足单晶叶片精密铸造的要求。     

高温合金材料螺孔加工技术研究

高温合金GH4169属镍基高温合金,是航天发动机高温系统中应用广泛的高温结构材料,但它的切削加工性能极差.如以相对正火状态45钢的切削加工性Kv=1来衡量,高温合金的切削加工性Ky=0.2～0.5,而镍基高温合金的Kv=0.2.其切削加工特点主要表现为强度高,塑性大,切削抗力大,冷作硬化严重,切削温度高,刀具在加工过程中磨损剧烈,以攻丝为加工最难点,小直径的螺孔用普通攻丝方法几乎无法加工,已经严重影响了公司的生产进度和产品质量.我们经过自己研究、攻关和与国内几所大学联合开发,特别是利用北京师范大学的离子注入技术,开发出加工高温合金螺孔的新型丝锥,现已用于公司的发动机生产,基本能满足公司的需要,解决了存在多年的高温合金的螺孔加工的难题.     

高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究

文章介绍了自行研制的石英灯红外辐射式气动加热试验模拟系统以及使用该系统对高超声速飞行器材料与结构进行的高温热评价试验。本热试验系统可实现升温速率高至200 ℃/s的非线性热冲击过程的动态模拟;能够生成1.8 MW/m2热流密度的瞬态非线性热试验模拟环境;能将试验环境温度提高到1 500 ℃。在该热试验系统上完成了如下试验研究: 1）金属蜂窝板结构在高温950 ℃非线性热环境下的隔热性能评价试验和数值模拟;2）对SiC/SiC复合材料试件在1 300～1 500 ℃下的隔热性能评价试验;3）采用轴向非分段加热试验方式对圆柱型壳体结构（长2.1 m）内壁进行高温热环境试验。本试验系统在可控的非线性温升速率、高温高热流密度变化过程的动态模拟、热试验环境模拟的准确性以及非接触式全场高温变形测量等方面的研究成果达到了国际先进水平。