碳纤维增强类复合材料烧蚀产物对等离子体流场特性影响的实验研究

高速飞行器表面的防热材料在气动加热产生的高温下会分解烧蚀并产生等离子体。为分析不同烧蚀条件下碳纤维增强类复合防热材料的烧蚀产物对下游流场特性的影响,利用高频等离子体风洞,采用高频感应加热方式对碳/碳和碳/碳化锆两种复合防热材料进行烧蚀并产生高速等离子体射流,在下游通过朗缪尔探针和平头柱塞量热计获得不同烧蚀状态下的流场电子数密度和驻点热流。研究结果表明：随着两种材料烧蚀率的增加,下游流场中的电子数密度和驻点热流逐渐降低,表明“黑障”风险和气动加热现象得到缓解;碳/碳化锆材料在降低下游流场的电离度和焓值方面优于碳/碳材料;随着材料前方来流焓值的增大,两种材料烧蚀造成的下游流场电离度和焓值的差异会在一定程度上缩小。     

引信气动烧蚀的计算流体动力学仿真方法

传统的引信气动烧蚀研究主要采用理论分析结合试验的方式进行,存在计算复杂、速度慢、局限性大、计算结果误差较大以及对某些极端试验条件无法模拟等缺点。基于此,将计算流体动力学方法引入引信气动烧蚀仿真分析。该仿真方法定义了烧蚀准则和烧蚀时间步长,每用计算流体动力学方法计算一个时间段后,用烧蚀准则将烧蚀部分除去,然后按定义的烧蚀时间步长反复计算,直至完成全部模拟时间的计算。采用此方法对4 Ma速度下3s飞行时间火箭弹标准外形引信的气动加热烧蚀进行的仿真计算结果表明:计算出的引信外形随飞行时间的烧蚀情况与理论分析相吻合,证明了此方法的合理性。     

弹翼表面气动加热和烧蚀现象的研究

为高超音速飞行的弹翼建立了气动加热及烧蚀的数学模型，并编制了计算软件，用于模拟高超音速穿甲弹弹翼前缘的瞬时热效应．所采用的理论、方法及计算结果对以后进行高超音速弹箭的研究有一定的参考价值。     

3DSiO_(2f)/Si_3N_4-BN复合材料烧蚀形貌及表面粗糙度研究

采用三维形貌及表面粗糙度测量系统研究三维石英纤维增强氮化物基复合材料的烧蚀形貌及表面粗糙度,运用Origin软件对所得形貌及表面粗糙度进行分析。结果表明,氮化物基复合材料在高压高热流等离子体烧蚀下表面粗糙度受烧蚀状态影响明显,随着等离子气流压力和热流密度的提高,表面粗糙度增加。提高材料密度及石英纤维编织件编织均匀性可以降低表面粗糙度并提高材料耐烧蚀性能。     

C/SiC刚性热防护结构热力耦合分析

高超声速飞行器热防护问题复杂,是弹道参数、外部流场、气动加热、结构温度场、结构变形响应等多物理场的耦合.为提高飞行器结构温度场预估精度,开展气动加热与结构温度场的耦合分析方法研究,基于气动加热工程算法,对典型C/SiC刚性非烧蚀式防热结构进行气动加热与温度场耦合分析.结果表明作用在结构上的净热流密度低于气动加热工程计算得到的冷壁热流密度,设计热防护系统时必须考虑气动加热/结构温度之间的耦合作用.     

高速飞行器空气舵前缘三维烧蚀/温度耦合分析研究

为了准确预测空气舵前缘三维烧蚀/温度场,针对通用有限元软件采用自编热流加载和烧蚀移动边界用户子程序方法,仿真分析了空气舵前缘局部模型的三维烧蚀/温度场,给出了空气舵前缘烧蚀外形、烧蚀量和三维温度分布,并与试验结果进行了对比,结果表明:理论计算的烧蚀量和表面温度与实测值的偏差均小于10%,证明方法正确可行。     

在缩比垂直发射系统上进行的烧蚀和压力响应的实验研究

用一个１：１６的缩比固体推进剂发射装置，逼真。模拟了全尺寸垂直发射系统（ＶＬＳ）的瞬时压力和材料烧蚀特性的试验。在火箭发动机中测得的瞬时压力曲线，用四阶勒恩－库塔法的分块参数进行了验证。发射装置其它部件上的瞬时压力曲线与火箭发动机内的压力相似。为模拟全尺寸ＶＬＳ的喷管群，用２孔和４孔喷管分别作了试验，以研究喷管构型对压力和烧蚀材料的影响。喷管喉部面积较小，发射持续过程就较短并产生较高的质量流率。这些质量流从火箭发动机流入增压室。对烧蚀材料腐蚀深度的轮廓线的重复试验表明，已被烧蚀的表面比材料还未烧蚀的平整表面有更好的防烧蚀作用。烧蚀材料的烧蚀主要取决于从喷管喷出的质量流率和烧蚀材料的结构。     

高超声速飞行器鼻锥的热环境和结构热分析研究

基于典型的高超声速气动加热飞行环境,利用热流迭代修正方法对轴对称一体化结构高超声速飞行器鼻锥进行结构温度场分析.首先通过流场计算得到飞行器鼻锥的冷壁边界热流密度分布,并将其作为结构热响应有限元计算的初始边界条件.为了验证计算方法的可执行性,并为计算结果分析比较提供参考数据,首先进行只考虑导热和辐射的计算,不考虑壁面温度变化对热流影响的热流修正迭代计算.而后,针对壁面温度随时间变化,对热流密度进行修正,进行多次迭代计算模拟,用以确定高超声速飞行器鼻锥材料以及结构设计尺寸.     

碳酚醛材料烧蚀特性分析与工程计算

为构建球双锥飞行器使用碳酚醛烧蚀防热材料的热环境与烧蚀特性的数学物理模型,建立相关计算软件,研究飞行器在高超声速流场中的热环境及烧蚀特性,应用几何流线法建立了有攻角情况下球双锥体表面热流密度计算方法;基于碳酚醛防热材料的烧蚀机理,建立了对应的烧蚀模型,构造了壁面烧蚀的工程计算方法.     

纯碳/碳材料烧蚀对飞行器等离子体流场的影响

高速飞行器表面的防热材料在气动加热产生的高温下会分解烧蚀,烧蚀产物进入空气边界层流场后,与流场中的高温空气进行复杂化学反应,对飞行器周围空气流场中组分浓度和等离子体分布产生影响。通过高频等离子体风洞,采取高频感应加热的方式产生超音速高温气流,在相同外形的纯碳碳材料模型和铜制水冷模型周围形成高温绕流流场。利用朗缪尔探针对距离模型不同高度位置的电子数密度进行测试,试验结果表明：当纯碳/碳材料模型处于明显的烧蚀状态时,烧蚀产物会对流场中的电子数密度产生影响,电子数密度低于铜质水冷模型纯空气绕流流场的电子数密度;纯碳/碳材料模型的多个试样在发生烧蚀后的流场电子数密度均随着质量烧蚀速率的增加而减小;纯碳/碳材料烧蚀产物仅影响距离壁面一定距离流场的电子数密度,远离壁面的流场中电子数密度与纯空气流场接近。     

航天运载器尾舱高空热环境数值分析

航天运载器在70 km以上高空高速飞行,火箭发动机的喷流是影响其尾舱热环境的主要因素之一.采用代数方程和偏微分方程相结合的多块网格生成方法,达到热流计算中对近壁面网格的正交性和分布上的要求;通过改进的NND有限体积法高超程序,数值耦合求解多组分NS方程、湍流方程、热辐射方程和非平衡化学反应方程,提高了壁面热流计算的精度.计算结果与飞行遥测及地面实验结果对比分析表明,所采用的计算方法及得到的结果是正确有效的.     

飞行器热解炭化材料烧蚀产物对等离子体流场的影响规律

高速飞行器表面防热材料在气动加热产生的高温下会热解烧蚀,烧蚀产物进入空气边界层流场后,与流场中的高温空气发生复杂化学反应,对飞行器周围空气流场中组分浓度和等离子体分布产生影响.基于求解热化学非平衡Navier-Stokes方程,建立耦合烧蚀壁面的三维等离子体流场计算方法.理论预测电磁衰减测量项目第2次飞行试验(RAMC...     

HIFiRE-1飞行器激波与边界层干扰气动热研究

高超声速飞行器存在典型的激波与边界层干扰,由此产生的流动分离与再附会带来严重的气动加热问题。采用雷诺平均方法对HIFiRE-1飞行器激波与边界层干扰气动热进行了数值模拟。讨论雷诺数、马赫数等来流参数和飞行器裙体张角、裙体长度等结构参数对气动热的影响,并分析其影响机理。研究结果表明：柱裙拐角处由于存在边界层分离、再附及强烈的激波干涉,导致飞行器壁面存在严重的气动热问题,控制边界层分离和流场结构能有效控制飞行器壁面热环境。改变来流参数和结构参数会对边界层分离、再附和流场结构带来较大影响,具体表现为：来流雷诺数变化时流场结构变化较小,但会大幅度影响再附热流密度;来流马赫数变化时分离激波与飞行器壁面夹角发生变化,相应的气动热有较大变化;裙体张角变化时引起分离区尺度变化,进而改变壁面热流分布;裙体长度变化时影响边界层分离、再附特性,导致壁面热流分布发生变化。     

海拔高度对柴油机缸内热流分布影响规律研究

为了分析高原环境下柴油机缸内热流分布变化规律,采用计算流体动力学方法对不同海拔高度条件下的柴油机燃烧过程进行了三维数值模拟研究。结果表明：考虑燃气向缸壁传热的燃烧过程计算时,壁面函数采用Han-Reitz模型可以得到满意结果;随着海拔高度升高,过量空气系数降低,滞燃期延长,着火推迟,燃烧恶化,爆压降低,燃烧温度升高;海拔高度越高,喷雾贯穿动量越大,壁面换热系数增长速度越快,在上止点后气体流动性对换热系数的影响所占比重增大,而进气流量对换热系数的影响比重降低,换热系数随着海拔高度升高而增大;在换热系数、壁面燃气温度和壁面油膜燃烧影响下,高海拔燃烧时壁面平均热流大幅度增大,海拔高度从1 000 m升高到4 500 m 后,缸盖和活塞瞬时平均热流最大值增幅分别达到30%和26%.     

冲压发动机高硅氧/酚醛绝热层烧蚀数值模拟

以多层炭化烧蚀模型及冲压发动机近进气道部分工况对某采用高硅氧/酚醛绝热层的发动机补燃室进行了数值模拟.模拟结果表明,温度分布对炭化速度以及烧蚀坑的出现及烧蚀坑的位置有重要影响.采用孔隙率进行烧蚀判断的方法对于烧蚀率的计算较为准确,与实验值符合较好.但是,该方法缺乏对气流冲蚀作用的动态耦合,因而计算中烧蚀坑并不明显.     

导弹起竖过程中风载荷影响研究

为了研究某导弹起竖过程中风载荷的影响,基于对数律平均风载荷模型,建立了起竖系统受风载荷影响下的受力模型.通过一组仿真实验,研究了不同风力、风向、地表粗糙程度和空气密度下导弹起竖过程的受力情况.仿真结果表明,风向和风力对起竖过程受力影响较大,地表粗糙长度和空气密度对起竖过程受力影响较小.研究成果对于类似系统的抗风设计和安全工作都有一定的参考价值.     

2D C/SiC复合材料烧蚀性能分析

采用氧-乙炔烧蚀试验研究了2DC/SiC复合材料的烧蚀性能,并对2DC/SiC复合材料在氧-乙炔焰流烧蚀条件下的烧蚀机理和烧蚀物理模型进行了初步探讨。结果表明,密度对材料的烧蚀性能有显著的影响,随着密度的增加,材料的线烧蚀率呈下降的趋势,当密度提高3.4%时,材料的线烧蚀率下降65%。同时,C/SiC复合材料在氧-乙炔条件下的烧蚀机制是热氧化烧蚀、热物理烧蚀和机械冲刷的综合作用。