小型等离子体多相流模拟烧蚀系统的构建与运用

在高超声速飞行器的研制过程中,热防护技术是急需攻克的关键问题之一。在热防护材料研发的初期和中期,通过模拟烧蚀试验可大大加快材料配方筛选与工艺优化进度、降低成本。针对高超声速飞行器热防护材料的使用要求,提出了基于小型等离子体多相流的模拟烧蚀试验方法;基于自动化技术开发了参数精确控制的模拟烧蚀试验系统;该系统可产生高焓、高温和高热流密度的等离子射流,射流中可注入固相粒子,模拟高超声速飞行器飞行过程中的热力环境。在此基础上,运用测量表征与数值计算相结合的手段研究了系统流场特性,为试验参数的选取与优化提供了理论依据。最后,运用系统对某型三维四向C/C复合材料进行了耐烧蚀性能测试和分析。结果表明,该试验系统可为热防护材料的配方筛选、热结构部件的优化设计和性能评价提供实用可靠的途径。     

刚性陶瓷瓦热防护系统概率设计分析方法

针对高超声速飞行器中广泛应用的陶瓷瓦热防护系统,结合有限元法和蒙特卡洛模拟建立了其概率热分析系统,提出了刚性陶瓷瓦热防护系统尺寸概率设计方法。建立了刚性陶瓷瓦热防护系统的二维有限元模型,考虑了热传导系数、比热容和表面辐射率等材料属性参数以及热防护系统各层厚度的不确定性,得到系统温度场的概率分布特性和系统热防护性能对各参数的灵敏度,并对系统的热可靠性进行了评估。算例表明:文中提出的方法对热防护系统设计过程中合理确定陶瓷瓦厚度和在保证系统性能的前提下有效减轻重量具有指导价值。     

高超声速飞行器变比热驻点热流计算

 为快速准确预测高超声速飞行器驻点热流密度,基于P-R 状态方程,计算空气真实气体状态下比热比、定压比热容,得到温度拟合公式。应用变比热计算了高超声速飞行器激波后温度,应用空气真实气体状态下定压比热容计算了典型的高超声速钝头体驻点热流密度值。计算结果与实验值基本吻合,表明计算方法可行,有足够的精度,可为高超声速飞行器初步设计热环境计算和防热材料的合理选择提供可靠的参考数据。     

高超声速飞行器热管理关键技术及研发进展

 从热能排散和再利用的角度介绍了高超声速飞行器热管理关键技术及进展情况。针对热能排散技术，介绍了被动/半主动/主动防热结构、承载/防热以及其他多功能结构；针对热能再利用技术，介绍了再生冷却和热电转换技术；从现有热管理技术的特点和研究现状出发，提出了高超声速飞行器热管理技术的发展趋势。     

持续气动加热环境下的结构热载荷分析与应用

气动热问题是制约高超声速飞行器发展的关键问题之一,其产生的热流对结构固有特性具有显著的影响。热模态分析是研究热载荷对结构固有特性影响的一个重要方法,其分析结果对防热结构的选材与设计具有重要的参考价值。针对高超声速飞行器进气道前缘结构开展了热载荷分析与应用研究,计算了结构在冷壁热流及通过流-固耦合法解算的热壁热流两种载荷条件下的温度场及前三阶模态的振动幅度与固有频率的变化情况。结果表明:采用流-固耦合算法解算的热载荷适用于持续气动加热环境下的结构热分析及热模态分析。耦合计算600 s后受热结构逐渐趋于热平衡,此时最高温度达到1 200 K左右,前三阶模态的最大相对振动幅度分别增长了24.4%、5.6%和36.7%,固有频率分别下降了14.1%、8.8%和9.9%。     

相变蓄热材料在高超声速飞行器 热控系统中的应用

就高超声速飞行器防热与热控问题,从“相变蓄热材料充当辅助冷源”思路出发,结合不同飞行器的 飞行特点,提出了５ 种热控系统方案,即空气循环热控方案、蒸发循环热控方案、液体冷却回路方案、开式蒸发 冷却热控方案、直接式相变蓄热冷却方案;指出了选择合适相变蓄热材料及相变蓄热封装设计是其中的关键 技术,并结合航空航天领域相关技术进行了探讨与分析     

高超声速飞行器技术研究进展

 高超声速技术作为新世纪航空航天的标志性技术,已成为国内外军事、航天领域关注的重点技术。对高超声速飞行器进行了分类,对国外主要军事大国高超声速飞行器的发展路线、总体方案、性能参数等进行了梳理,围绕对高超声速飞行器发展产生重要影响的气动设计技术、高超声速推进技术、高超声速结构热防护技术、高超声速制导控制技术,剖析了技术发展特点和技术发展方向。基于国外高超声速飞行器的型号发展和投入方向,认为高超声速滑翔飞行器将成为高超声速领域优先发展领域。     

高超声速飞行器综合热管理系统方案探讨

高超声速飞行器是当今世界航空航天领域研究的热点,由于其在飞行中遭受的热环境极其严酷,因 而可靠的综合热管理系统是安全飞行的保证。针对不同飞行任务的高超声速飞行器,分别提出了综合热管理系 统方案;对飞行时间短,飞行速度和高度变化快的飞行器,提出了以液氢燃料为主要热沉、相变蓄热材料为辅 助热沉的热管理方案;对飞行时间长,飞行马赫数高的飞行器,提出了以吸热型碳氢燃料为热沉的热管理方案; 分别探讨了两套方案涉及的关键技术,指出了未来研究工作的方向。     

高超声速飞行器热防护系统方案快速设计方法

针对高超声速飞行器多学科优化设计的需求,基于飞行器几何外形、弹道和热防护材料、热防护系统型号数据库,通过气动热快速预测方法和一维热响应预报方法的研究,建立了一种通用高超声速飞行器热防护系统快速设计方法。该设计方法实现了热防护系统优化设计的自动化,避免了传统设计过程需要多种分析工具以及过程繁琐等不足。最后结合典型服役环境,利用该方法对类X—37B飞行器的热防护系统进行快速设计,得到热防护系统的总质量。结果表明,方法能够快速有效地进行高超声速飞行器热防护系统的设计。     

高超声速飞行器综合热效应问题

综合热效应会导致高超声速飞行器多物理场间的时-空强耦合效应更加显著,是未来长航时高超声速飞行器研制中将面临的一个重要问题.本文阐述了综合热效应问题的内涵,结合飞行器多系统耦合现象的物理链路,详细阐述了综合热效应问题的物理本质和预测方法,讨论分析了气动热、气动/结构/轨道耦合等影响综合热效应的关键问题,介绍了耦合实验研究方面的新进展,并对考虑新型复合防热材料跨尺度效应、基于多因素耦合方法的多系统优化设计、舱内热效应对防热系统的影响等综合热效应的外延与拓展问题进行了讨论.     

大温差测试条件下热防护材料高温导热系数试验方法

热防护材料高温导热系数是进行高超声速飞行器设计不可或缺的参数。通过热防护材料导热系数理论分析以及传统稳态法试验原理数学推导,说明了热防护材料导热系数物理本质。探讨了试验温差对热防护材料导热系数测试的重要性和传统稳态法在测试热防护材料高温导热系数时的技术局限性。基于热防护材料内部温度分层特征以及导热系数-温度非线性关系函数形式直接假设,提出并分析证明了两种适用于大温差测试条件的热防护材料高温导热系数试验方法。对热防护材料高温导热系数获取有重要的参考价值。     

高超声速气动热的耦合计算方法研究

为了准确预测高超声速飞行器承受的气动热载荷,需要进行流动-传热耦合分析.采用耦合传热方法,考虑流体流动和结构传热之间的实时相互影响,对圆柱壳高超声速气动加热风洞实验进行了三维非定常数值模拟,将数值模拟结果与实验结果进行了全面对比,得到的表面压力、冷壁热流、热壁热流和温度分布与实验结果符合良好,验证了耦合计算方法的准确性,提高了气动热模拟精度,实现了气动加热的准确计算.     

含Sc的Al-Cu-Li合金热压缩变形的流变应力行为和显微组织

采用Gleeble-1500热模拟试验机,在变形温度为380℃~500℃和应变速率为0.001~10 s-1的条件下对含钪铝锂合金的热变形行为进行了研究。结果表明:含钪铝锂合金流变应力随变形温度升高和应变速率的降低而减小。以实验为基础,利用作图法和线性回归方法求解得出各参数数值和流变峰值应力方程,利用该方程预测流变应力值与实验结果吻合较好;该合金在高温压缩变形中,在变形温度大于470℃和应变速率小于0.1 s-1时,合金发生了动态再结晶,且温度越高、应变速率越低,该合金越易发生动态再结晶。在380℃~470℃,0.1~10 s-1条件下,对该合金进行热变形加工较为适宜。     

EPDM阻燃热防护材料在锂离子电池热失控中的研究

研究了三元乙丙橡胶（EPDM）阻燃热防护材料配方中的阻燃剂、厚度对其性能的影响,以及在锂离子电池中的应用效果.结果发现具有阻燃配方的EPDM的背面温度低于未加阻燃剂的EPDM,随阻燃剂的加入和样品厚度的增加,EPDM的背面温度降低、阻燃性能提高.在火源温度为500℃的条件下,厚度为3,6 mm加阻燃剂的EPDM的稳定温度分别为185.1,165.7℃.选用厚度3 mm的阻燃EPDM作为锂电池组的热防护材料,电池热失控过程中仅1块电池发生爆炸,而未进行热防护的电池组中共有5块电池相继发生爆炸.以电池组为中心,在无热防护的锂电池组燃烧爆炸实验时,距电池组半径30 cm处圆形区域温度均受到电池燃烧爆炸的影响而达到高达300℃的高温,属于十分危险的范围;而在使用EPDM热防护材料对锂离子电池进行防护后,此区域的温度在20~28℃之间浮动,属于十分安全的温度范围.      

热轧带钢的冷却参数与翘曲关系

针对卷取温度为500℃的12 mm厚X70管线钢热轧带钢,利用MARC有限元软件建立层流冷却过程中的热-力-相变耦合的数学模型,计算两种下上冷却水比时层流冷却过程中温度场、应力、应变、相变体积分数和翘曲度随时间的变化.结果表明:1.25水比的冷却过程中,厚度方向上各面的冷却速度不一致,导致水冷前期带钢上下表面应变不同,带钢会产生向上的翘曲,冷却过程中边部最大的翘曲量达到21.84mm;水冷后期带钢板形会逐渐恢复平直,但由于水冷过程中发生塑性变形,终冷时厚度方向上贝氏体含量的差异,卷取时带钢边部依然有-9 mm的翘曲量.上下表面的不均匀冷却是引起翘曲的根本原因.在保证X70管线钢性能条件下,采用1.58的下上水比工艺,卷取时边部翘曲量仅为-0.58 mm,合适的下上水比能大幅度减小层流冷却过程中带钢的横向翘曲.     

热带次生林林窗边缘树干表面温度时空分布特征

利用热带次生林林窗区域树干和树冠下的表面温度观测资料,探讨了昼间林窗边缘和林内的树干表面温度时空分布规律,以及林窗边缘与林内树干的表面温度差异。指出在林窗区域存在４ 个热力作用面（ 林冠面、林内地面、林窗林缘壁面和林窗地面） ,受太阳直接照射的东侧和北侧林壁是林窗最主要的热力作用面;４ 个热力作用面的热力特征和相互作用制约了林窗的热力变化。其结果可为进一步研究林窗小气候形成机制提供研究基础,并为研究林窗的演替、更新以及对生物多样性影响提供科学依据。