可重复使用热防护材料应用与研究进展

可重复使用热防护系统是为高速重复使用飞行器而发展的关键性技术,涵盖了地球大气环境及非地球大气环境下的弹道式再入、高马赫数巡航等应用场景。根据现有高马赫数飞行器热防护现状,对高马赫数飞行器的主要热防护系统类型、特点和使用场景进行了简要介绍。在此基础上,结合国外里程碑式可重复使用飞行器（X-15、SR-71、航天飞机、X-33、X-37B、Spaceliner等）,梳理了可重复使用热防护材料的应用与研究进展,论述了代表性可重复使用热防护材料的发展、性能、研制进度、特点及应用前景。对国外在可重复使用热防护材料研制中的设计及发展思路,以及所存在的主要问题进行了总结归纳,为可重复使用热防护材料未来的发展提供了思路。     

基于PIV技术的单圆孔脉冲射流流场特征

对稳态射流及脉冲射流冲击靶板时的流场特性结构进行了探索和分析。采用高频粒子图像测速技术,在射流管口到冲击靶板间距为6倍管径的条件下,对稳态射流进口雷诺数为6 000的稳态射流及脉冲频率为20 Hz的脉冲射流进行了实验测量,得到了射流核心区、壁面射流区及滞止区内的速度分布。研究发现:①由于射流剪切作用的影响,脉冲射流核心区的最大轴向脉动速度为稳态射流的3倍。②滞止区内,由于射流的剪切作用和壁面的滞止作用,导致了脉冲射流轴向速度梯度最大为稳态射流的2倍,同时,滞止区内的最大脉动速度是稳态射流脉动速度的3倍。③脉冲射流对壁面的卷吸以及旋涡的产生和传播过程,破坏了壁面射流区稳定的速度边界层。相比稳态射流,脉冲射流的流场增加了湍流相干结构的含能并产生周期性的大尺度卷吸涡。     

Fluid structure interaction simulation of supersonic parachute inflation by an interface tracking method

An Arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) approach with interface tracking is developed in this paper to simulate the supersonic parachute inflation. A two-way interaction between a nonlinear finite element method and a finite volume method is accomplished. In order to apply this interface tracking method to problems with instantaneous large deformation and self-contact, a new virtual structure contact method is proposed to leave room for the body-fitted mesh between the contact structural surfaces. In addition, the breakpoint due to the fluid mesh with negative volume is losslessly restarted by the conservative interpolation method. Based on this method, fluid and structural dynamic behaviors of a highly folded disk-gap-band parachute are obtained. Numerical results such as maximum Root Mean Square (RMS) drag, general canopy shape and the smallest canopy projected areas in the terminal descent state are in accordance with the wind tunnel test results. This analysis reveals the inflation law of the disk-gap-band parachute and provides a new numerical method for supersonic parachute design.     

Sensitivity analysis of flowfield modeling parameters upon the flow structure and aerodynamics of an opposing jet over a hypersonic blunt body

Implementation of an opposing jet in design of a hypersonic blunt body significantly modifies the external flowfield and yields a considerable reduction in the aerodynamic drag. This study aims to investigate the effects of flowfield modeling parameters of injection and freestream on the flow structure and aerodynamics of a blunt body with an opposing jet in hypersonic flow. Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations with a Shear Stress Transport (SST) turbulence model are employed to simulate the intricate jet flow interaction. Through utilizing a Non-Intrusive Polynomial Chaos (NIPC) method to construct surrogates, a functional relation is established between input modeling parameters and output flowfield and aerodynamic quantities in concern. Sobol indices in sensitivity analysis are introduced to represent the relative contribution of each parameter. It is found that variations in modeling parameters produce large variations in the flow structure and aerodynamics. The jet-to-freestream total-pressure ratio, jet Mach number, and freestream Mach number are the major contributors to variation in surface pressure, demonstrating an evident location-dependent behavior. The penetration length of injection, reattachment angle of the shear layer, and aerodynamic drag are also most sensitive to the three crucial parameters above. In comparison, the contributions of freestream temperature, freestream density, and jet total temperature are nearly negligible.     

整体弹性结构法及在叶片流固耦合分析中的应用

针对三维叶片时域流固耦合振动响应计算普遍耗时的问题,采用一种假设整体结构的模态位移,求解固体时域响应和实现高效网格变形,发展了一种3维时域流固耦合分析的整体弹性结构方法,并应用于压气机叶片0°和180°相位角的气动稳定性分析中。结果表明,所发展方法的计算结果与传统双向时域算法和文献的结果较为吻合,而计算效率相比于传统算法显著提升;在所分析的两个相位角下,叶片振动的气动阻尼均随流量减小先增大后降低,相比于0°相位角,180°下叶片的气动稳定性大幅提高,表明该方法能有效应用于叶片的工程流固耦合研究。     

基于拓扑优化和形状优化的桨叶结构设计

直升机旋翼桨叶剖面结构设计是研究旋翼动力学设计的基础。提出一种联合拓扑优化和形状优化的 两级优化设计方法,可用于桨叶剖面结构的设计。第一级优化以变密度法(SIMP)作为拓扑优化的材料插值方 法,以桨叶体积最小化为设计目标,约束桨叶节点位移和应力,建立桨叶的拓扑优化求解模型;第二级优化以重 构的桨叶模型为基础开展形状优化,降低局部应力集中以及找到合理的边界节点位置。对优化后的模型进行 有限元分析,结果表明:通过拓扑优化和形状优化的两级优化,能够得到满足强度和稳定性要求的结构布局,为 桨叶结构设计提供指导方案。     

MTPS蜂窝夹芯结构传热性能及热应力分析

对于金属防热结构的蜂窝夹芯结构的稳态情况,基于材料的全灰体假设,同时考虑热传导和热辐射两种传热形式对温度场的耦合作用,利用热流量守恒建立了蜂窝芯层温度场的非线性积分方程。离散化后利用数值方法得到方程组的数值解。对于美国兰利研究中心的实验结果,与本文方法的对比计算结果基本吻合。进一步,利用计算结果讨论了给定面板温度边界情况下,下面板、柱体层的灰度、蜂窝结构长径比对夹芯温度场的影响。并根据温度场和近似的应力分析模型,用半解析结果讨论了稳态情况下蜂窝芯层上的热应力。     

太阳帆航天器动力学建模与求解

 太阳帆航天器动力学建模与求解是姿态控制与结构振动抑制的基础,具有重要的理论与工程意义。针对带有控制杆和控制叶片的太阳帆航天器,进行结构的合理简化。应用矢量力学基本原理,推导出考虑弹性振动的太阳帆航天器姿态动力学方程,再对其进行简化,分别得到基于控制叶片和控制杆的两类太阳帆航天器的姿态动力学方程,联立太阳帆支撑杆振动方程,结合非约束模态的定义对运行于超地球同步转移轨道的太阳帆航天器动力学方程进行了求解及分析,结果表明所建立的太阳帆动力学模型可准确地描述柔性太阳帆航天器的动力学特性。     

微细电解铣削加工模型及实验研究

 对微细电解铣削加工技术进行了深入研究。将分层加工技术应用到微细电解加工过程中,显著改善了加工稳定性;建立了微细电解铣削加工的数学模型;基于电化学刻蚀原理,在线制得直径小至10 μm的圆柱电极;分组实验并验证了加工模型中各参数如：电极直径、加工电压、电解液浓度、铣削层厚度等对微细电解铣削加工精度的影响。通过优化加工参数,成功加工出了深三角结构和四棱台微型腔,形状精度高,加工稳定性好。     

C/E复合材料网格缠绕结构三维建模与模具设计

通过对圆柱螺旋线和圆锥螺旋线参数方程的推导,实现了网格结构及模具的三维建模。三维模型的建立,可实现结构空间协调,缩短设计周期,节省研制经费,提高生产效率。在此基础上提出了可行的金属模具设计方案,找到了切实可行的模具加工方法,并在工程中加以应用,取得了较好效果。