高超聲速飛行試驗熱流密度測量方法與裝置研究.pdf

1、高超聲速飛行中，飛行器表面承受由復(fù)雜能量傳輸過程所引起的氣動加熱載荷。對氣動加熱進(jìn)行準(zhǔn)確量化是開展飛行器熱防護(hù)設(shè)計的基礎(chǔ)，也是進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)效率、優(yōu)化飛行性能的關(guān)鍵。氣動加熱載荷設(shè)計參量，多源于建立在不同程度假設(shè)基礎(chǔ)上且經(jīng)過驗證的工程/數(shù)值模擬計算結(jié)果，或各類高速風(fēng)洞設(shè)備的模擬試驗結(jié)果，與真實飛行狀態(tài)存在不同程度的“偏離”。高超聲速飛行試驗所獲取的實際環(huán)境載荷數(shù)據(jù)是驗證與完善氣動加熱計算方法、風(fēng)洞試驗方法和天地相關(guān)性的唯一實踐參照。從上

2、世紀(jì)50年代至今，多個國家在高超聲速飛行試驗中通過“嵌入式”或“內(nèi)置式”測量裝置進(jìn)行了飛行器表面熱流測試，獲取了寶貴的飛行試驗數(shù)據(jù)，但大多針對鈍體再入短時大熱流或長時間小熱流情況。近二十年來，隨著各種新型高超聲速飛行器研發(fā)熱潮的到來，熱防護(hù)技術(shù)與能力得到了顯著提升，防熱材料與服役環(huán)境的耦合作用也愈發(fā)受到重視。在更為苛刻的服役環(huán)境下如何精確、可靠地獲取的飛行氣動熱數(shù)據(jù)，推測量技術(shù)領(lǐng)域提出了急迫需求和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要在測試方法、耐環(huán)境能力和熱

3、結(jié)構(gòu)匹配性等一系列科學(xué)和技術(shù)問題上取得突破。
　　本文從高超聲速飛行器研發(fā)需求出發(fā)，以獲取真實飛行的氣動載荷為目標(biāo)，在通過“嵌入式”（Add-on）手段測量“冷壁熱流”技術(shù)途徑的基礎(chǔ)上，發(fā)展了可適應(yīng)更寬服役范圍的熱流密度測量方法及熱流辨識反問題計算方法。結(jié)合典型飛行條件，設(shè)計并研制了飛行試驗用熱流測量裝置，通過試驗確定了接觸參數(shù)，利用相變機制預(yù)防結(jié)構(gòu)熱設(shè)計過載；搭建了兩種基于誤差傳遞體系的校準(zhǔn)試驗平臺，通過試驗校準(zhǔn)試驗和燃?xì)馍淞骶C

4、合試驗，驗證了測試裝置的熱流辨識有效性與結(jié)構(gòu)可靠性。全文具體內(nèi)容如下：
　　（1）利用變截面圓柱作為測量裝置的基本外形，將其劃分為一維傳熱區(qū)域和熱沉區(qū)域，以一維傳熱區(qū)域不同位置的兩處溫度響應(yīng)分別作為目標(biāo)函數(shù)變量和邊界條件，開展了基于Levenberg-Marquardt方法的非穩(wěn)態(tài)熱流密度參數(shù)辨識方法研究。通過多種金屬物性參數(shù)輸入與多組熱流密度-時間波形載荷下的仿真試驗，證明了Levenberg-Marquardt方法對一維傳熱問

5、題的辨識有效性，并優(yōu)選出無氧銅作為敏感材料；為解決表面溫度非均勻產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)間熱傳導(dǎo)及其引起的一維模型分析誤差，設(shè)計了由尖楔式護(hù)圈組成的多層過渡式隔阻方案，在一維傳熱辨識計算結(jié)果基礎(chǔ)上，利用仿真試驗兩測點的溫度數(shù)據(jù)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，采用DS（Downhill-Simplex）方法對整體模型進(jìn)行表面熱流密度尋優(yōu)計算，藉此修正結(jié)構(gòu)間熱傳導(dǎo)引起的干擾。提出了增加溫度測點（增加目標(biāo)函數(shù)約束）、增加隔阻層（縮小優(yōu)化參數(shù)上下限范圍）兩種改進(jìn)方案，通過仿真

6、試驗驗證了有效性。
　?。?）在上述測試原理和方法的基礎(chǔ)上，探索了給定高超聲速飛行軌跡與幾何外形、熱防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)條件下熱流測量裝置的通用性設(shè)計方法。分析了對流條件下壁面溫度對傳熱過程及熱流辨識反問題計算的影響。以Apollo再入飛行軌跡與平板外形為分析背景，基于“參考焓”方法計算來流參數(shù)，構(gòu)建了基于有限元擴(kuò)展應(yīng)用的“壁溫-對流熱流密度”耦合方法，并將耦合計算加入測量裝置設(shè)計的熱分析過程及熱流辨識的修正計算過程。分析了由于熱流測量

7、裝置嵌入而造成的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)“熱短路”效應(yīng)。
　?。?）為解決測量裝置嵌入防熱層所引起的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)“熱短路”效應(yīng)，將低熔點金屬引入測量裝置設(shè)計，利用材料相變潛熱的蓄能機制，使其在熔點附近維持較長時間低溫進(jìn)而實現(xiàn)對整體結(jié)構(gòu)的能量流動控制。使用泡沫銅作為導(dǎo)熱增強骨架實現(xiàn)相變金屬的改性，通過數(shù)值仿真分析，給出了含導(dǎo)熱增強結(jié)構(gòu)的相變材料等效熱物性并經(jīng)由試驗驗證。結(jié)果表明，相同載荷條件下，測量裝置使用相變材料相較于增加熱沉體質(zhì)量的方案體積比為

8、0.49:1，重量比為0.46:1：具有明顯的效率優(yōu)勢。
　?。?）為準(zhǔn)確評價熱流密度辨識精度，根據(jù)誤差體系的傳遞原則，將經(jīng)過絕對校準(zhǔn)的戈登量熱計作為參考標(biāo)準(zhǔn)，開展傳遞式校準(zhǔn)設(shè)備研制。設(shè)計了試驗量級~100kW/m2的輻射式校準(zhǔn)設(shè)備與試驗量級~270kW/m2的對流式校準(zhǔn)設(shè)備。輻射式校準(zhǔn)設(shè)備核心是含橢球形聚光結(jié)構(gòu)的鎢鹵燈裝置，通過光線追跡分析、戈登量熱計實測評估了設(shè)備輸出至參考表面熱流的均勻性與穩(wěn)定性。對流校準(zhǔn)設(shè)備核心是含分級加熱

9、器、可控風(fēng)源及噴管結(jié)構(gòu)的高溫?zé)犸L(fēng)設(shè)備，分析模擬了繞平頭模型的亞聲速流動及傳熱過程，通過試驗手段驗證了流場品質(zhì)及平頭模型表面熱流密度的均勻性與穩(wěn)定性。對設(shè)備開展不確定性分析得出：取擴(kuò)展因子k=2，輻射式設(shè)備三個實驗狀態(tài)的擴(kuò)展合成相對不確定度分別為7.98％，6.85%，6.44%，對流設(shè)備三個實驗狀態(tài)的擴(kuò)展合成不確定度分別為11.46%，8.09%，6.95%。
　　（5）制備了熱流密度測量裝置試件，通過相似外形試驗件給出了接觸性能