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...     

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。     

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.     

再入体碳基材料烧蚀特性分析与工程计算

针时使用碳基烧蚀防热材料的球双锥再入飞行器,构建了飞行器的热环境与烧蚀特性的数学物理模型.利用几何流线法,计算了有攻角情况下球双锥再入体的表面热流密度;基于碳基防热材料的烧蚀机理,建立了对应的烧蚀模型,构造了再入体壁面烧蚀的工程计算方法.分析了高超声速情况下球双锥再入体选用碳基防热材料的热环境和烧蚀特性.实验证明建立的算法具有很好的鲁棒性,可为再八体的防热结构设计提供理论依据.     

本体涂层协同抗氧化超高温碳/碳复合材料研究

通过向碳/碳复合材料基体中掺杂难熔金属化合物结合表面超高温抗氧化涂层,研制出了超高温本体涂层协同抗氧化碳/碳复合材料。通过微结构设计及控制,解决了纤维异构化、基体与陶瓷涂层间热胀匹配和多相复合陶瓷成分和结构精确控制的关键技术,提高了复合材料的烧蚀性能。动态高频等离子风洞超高温抗氧化试验表明,在驻点温度1900～2500℃,经过2500s烧蚀,烧蚀速率10-4mm/s,实现非烧蚀,而抗氧化碳/碳复合材料816s的烧蚀量则达到20mm以上。     

等离子体环境下高超声速飞行器的流-固耦合机制

高超声速飞行器在高温空气中穿行时处于等离子体环境中,相较于热完全气体有较大不同。考虑等离子体真实气体效应才能更好地计算飞行器与周围流体的流体与固体(简称流固)耦合作用。基于等离子体化学非平衡流体动力学方程组,结合流固耦合方程建立流固耦合模型。以RAM-C飞行器为算例计算并验证该模型,分析飞行器的流固耦合作用机制。计算结果表明：等离子体相较于热完全气体,气动压力增大,气动黏性力增大,最大气动黏性力位置发生迁移;等离子体气动荷载的作用位置利于钝体承受,最大流固耦合应力相较于热完全气体更小;高速飞行器前端主要承受原子气体的流固耦合作用,电子和离子对飞行器的流固耦合作用十分微小,在中部及后部分子气体对飞行器的作用更加明显。     

美航宇局试验陶瓷防热材料

美国航宇局艾姆斯研究中心和马歇尔航天飞行中心的一个联合试验组前不久对一种耐高温陶瓷材料进行了飞行试验,这种材料将用于高超音速再入飞行器的尖形前缘,试验是于去年9月26日在由范登堡空军基地发射的民兵Ⅲ导弹上进行的。 　　这次试验中,再入飞行器上装有4个长度为12.95 cm的导流片(尖形前缘),每个导流片包含有3种不同的超高温陶瓷材料,这些材料在1997年进行的一次飞行试验中和在艾姆斯中心的电弧加热等离子体射流试验场都显示出异常好的耐热性能。该项试验计划是超高速空气热力学研究探索计划的一部分。 　　再入飞行器在741 km处与弹体分离后再入大气层,一对导流片在高温烧蚀陶瓷材料前便收缩变形,而另一对导流片在接近2 816 ℃的高温下开始烧蚀之后即开始收缩变形。再入飞行器在飞行23 min后在夸贾林导弹靶场溅落。尖形前缘与现在的钝形体设计相比可使再入飞行器的机动性更好,并且可防止电磁干挠。由于有电磁干挠,钝形体在再入时会出现通信信号中断现象。 (西印　供稿)     

高温多层碳再入飞行器防热层温度测量

当高性能的再入飞行器以大约每秒6公里的速发进入地球大气层时,气动加热作用会在防热层的外表面产生大约1至3KW/cm~2的传热速率。这种异乎寻常的加热作用使表面温度达到3000K。在执行这些再入飞行器的飞行试验计划的过程中,为了评价再入飞行器的性能和防热层设计的合理性以及气动加热环境,需要防热层的温度数据。在最近的飞行试验中,测量了碳碳防热层内部的温度。该碳碳防热层的结构形式是:将     

碳/碳化硅复合材料接触热阻计算方法

在高速飞行器结构与防隔热系统设计及评估中,需要准确判断接触热阻对结构热响应的影响。针对当前高速飞行器采用性能优异的碳/碳化硅复合材料,建立了该材料接触热阻理论计算方法,并完成了典型工况地面风洞验证试验研究,进一步利用该方法开展碳/碳化硅复合材料之间接触热阻的变化规律研究。研究结果表明,建立的高温接触热阻计算方法与地面风洞试验结果对比具有较好的精度,典型工况下碳/碳化硅复合材料接触热阻的热响应预示结果与地面试验结果误差仅约4%,有关结果可以为高速飞行器结构与热防护系统的设计及安全评估提供参考。     

碳酚醛和硅酚醛的持续加热烧蚀

本文对碳酚醛和硅酚醛复合材料在持续加热条件下的烧蚀,作了实验和分析研究。试件面积最大达8.75英寸~2,其中装有埋入的热电偶。试样的特性利用两台空气电弧加热器在台阶形热脉冲加热下显示出来。脉冲持续时间是5分钟(2台阶),或是1.4分钟(达5个台阶)。额定峰值热载荷为35,000英热单位/英尺~2。对于二台阶、低剪切力(达2.5磅/英尺~2)的一组试验来说,其内部温度、表面温度、表面后退率和残留碳化层内的烧蚀图象均正常。对于碳酚醛材料,碳化烧蚀理论得出的内部温度及表面温度响应与实验结果很一致。五台阶、中等峰值剪切力(30磅/英尺~2)条件下,电影胶片清楚地表明,在后面的几次试验中存在微机械表面剥蚀。进而利用改变差量的办法,微机械剥蚀效应也与理论相一致。结果发现,为了精确地模拟持续加热烧蚀,需要可靠的复合材料特性值。     

飞机附近流场对航弹弹道的影响及修正方法——航弹投弹表编拟方法研究(二)

飞机在空气中运动时使周围的空气产生一定的流动速度,而航空炸弹的弹道初始段正好在这一流场之中,因而扰动流场对航弹弹道将产生一定的影响.本文在分析扰动流场产生原因的基础上,提出了用等效弹射速度的方法修正扰动气流对弹道的影响,并描述了等效弹射速度的计算方法,最后从理论上分析了等效弹射速度与空气密度、飞机速度及俯冲角的关系。     

大口径机枪枪管内膛烧蚀行为与微观机理

为进一步探究枪炮身管内膛烧蚀机理,采用扫描电子显微镜、透射电镜等方法对比分析了现用大口径枪钢30SiMn2MoV与新型长寿命枪钢MPS700V内膛烧蚀形貌与微观组织特征,在此基础上,通过促进点燃试验对比了两种枪钢烧蚀行为,揭示了枪管内膛烧蚀的组织演化规律与微观机理。寿终内膛组织分析表明,两种枪管烧蚀裂纹尖端同时形成三个区域,分别为硫化物区、氧化物区和基体区,其中氧化物区中发现熔化非晶氧化物,MPS700V的氧化物区和硫化物区厚度均小于30SiMn2MoV。烧蚀模拟实验结果表明：直径为1～10 mm的MPS700V试样的烧蚀临界压力比相同尺寸下的30SiMn2MoV试样高30%以上;直径3.2 mm镀铬MPS700V试样的烧蚀临界压力比相同尺寸的镀铬30SiMn2MoV高39%以上;新型长寿命枪钢MPS700V的抗烧蚀性能优于现用枪钢30SiMn2MoV。烧蚀试样组织分析表明,与寿终内膛烧蚀组织相似,两种枪钢在模拟烧蚀后均形成氧化物与树枝晶。通过对比寿终枪管内膛与促进点燃下烧蚀的热力学、动力学及组织特征,提出枪管内膛烧蚀由高温高压火药燃气下内膛表面微区发生金属燃烧导致,并建立了相应的演化...     

边界层转捩飞行测量方法及实现

针对高超声速边界层转捩飞行试验研究的需要,通过一体化的变厚度薄壁测温和热流辨识方法,利用测量薄壁内壁温度辨识表面热流可实现飞行器表面转捩位置的测量。考虑到飞行器高速飞行过程中表面气动加热和振动环境要求,对测量结构和机体结构开展了一体化模块设计,提高了测量结构的整体承载抗热振能力;利用热振联合地面试验系统,在飞行状态地面模拟条件下,对测热部件进行了热振联合试验考核,验证了测量结构的安全性和可靠性。地面热振联合试验和飞行试验结果表明,该型转捩测量结构可承受飞行条件气动加热和振动环境,能迅速地响应和准确地反映气动加热环境热流的变化,可准确捕捉飞行条件下高超声速边界层转捩现象。获取的热流转捩测量数据,可为高超声速转捩预测计算模型提供校准数据。     

玻璃纤维/酚醛复合材料的烧蚀性能研究

对材料烧蚀性能研究方法进行了分析，认为理论计算与地面模拟试验相结合是评价材料烧蚀性能的有效手段。在地面模拟试验中，针对设备的局限性，采用提高气动压力的方法来补偿由于热流密度不够造成的加热量不足，并将其结果与理论计算修正值进行比较，得到了很好的一致性结果。还对影响再入加热量的两个重要参数气动压力和热流密度对材料烧蚀量的影响进行了分析，认为气动压力比热流密度对材料的烧蚀性能影响更大。     

飞秒激光烧蚀黑索今的分子动力学模拟

利用飞秒激光的超短脉冲时间和超高能量密度的特点,可以实现对炸药的精密加工和纳米含能材料的制备.深入认识飞秒激光烧蚀炸药机理是发展飞秒激光加工技术的基础.采用反应分子动力学方法,基于ReaxFF/lg反应力场,对不同飞秒激光能量作用黑索今(RDX)过程进行分子动力学模拟,分析RDX初始分解反应路径、粒子扩散逃逸特征,研究...     

航母编队防空作战中预警机预警探测模型分析

为提高航母编队防空作战中预警机预警探测能力,建立一种航母编队防空作战中预警机预警探测模型.从航母编队防空作战中使用预警机的必要性入手,建立了航母编队预警机预警探测数学模型,并仿真计算了预警机探测能力对航母编队防空作战的影响.仿真结果表明:该预警机能显著提升空中巡逻战斗机前出接敌距离,增大了编队防空拦截作战的空域,使编队有足够的预警时间来组织兵力兵器来拦截来袭目标,提升了航母编队整体防空作战能力.     

等离子体隐身对飞行器表面的影响研究

针对等离子体在飞行器隐身中的应用．建立了等离子体与飞行器表面碰撞作用的模型．分析了碰撞所产生的等离子体能量和角度分布．计算了注入等离子在飞行器表面的浓度分布及溅射额随鞘层电场的变化，讨论等离子注入后所引起的晶格损伤、崩溃及在飞行器表面可能形成的针孔、气泡等．计算了离子体与飞行器表面碰撞产生的加热功率和离子注入温升．分析了离子注入对飞行器表面产生的各种影响。研究表明，隐身中的等离子体会对飞行器表面造成影响．但影响程度取决于离子的能量、密度和方向等。