高超聲速飛行器氣動加熱與熱防護系統(tǒng)性能的仿真與試驗研究.pdf

1、高超聲速飛行器是航空航天的一個重要發(fā)展方向,在未來國防安全中起著重要作用。這類飛行器都要面臨嚴酷的飛行熱環(huán)境，進行氣動加熱與熱防護結(jié)構(gòu)設(shè)計是高超聲速飛行器設(shè)計與制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于高速飛行器的氣動加熱與熱防護系統(tǒng)的熱響應(yīng)是耦合的，通過數(shù)值方法進行氣動熱與熱結(jié)構(gòu)的耦合分析，需要對飛行器進行整體建模分析，涉及高溫空氣的化學非平衡邊界層傳熱，湍流模型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)傳熱模型，需要耗費大量的計算機資源和時間；采用風洞進行試驗且不說耗費驚人的人力和

2、財力，僅建造能模擬馬赫數(shù)10以上的飛行條件的風洞就是一個巨大的挑戰(zhàn)?？紤]到本研究的重點是氣動加熱的熱環(huán)境及飛行器結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)，至于通過何種方式實現(xiàn)這種熱環(huán)境并不重要，只要使進入飛行器結(jié)構(gòu)的熱能與真實飛行時的熱能相同，就能再現(xiàn)飛行器結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)。因此，通過紅外輻射模擬氣動加熱的熱流量進行熱環(huán)境模擬是一種技術(shù)難度低易于實現(xiàn)的方法，而且試驗臺可以根據(jù)試驗對象的外形靈活布置。本文采用工程算法作為試驗的控制程序，將試驗測量到的熱防護結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)參

3、數(shù)代入控制程序中進行氣動加熱計算，通過紅外輻射進行熱流加載，實現(xiàn)氣動加熱與熱響應(yīng)的耦合分析。 本文主要是為了進行高超聲速飛行器再入的熱環(huán)境和結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)模擬試驗展開的，目的是設(shè)計出能準確計算和模擬出氣動加熱環(huán)境的實驗平臺和合理的熱防護系統(tǒng)模型，為高超聲速飛行器的設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)和試驗手段。為此，本文進行了以下研究： （1）研究飛行器的飛行環(huán)境和氣動熱的工程算法——進行氣動熱計算。 （2）研究熱防護系統(tǒng)的隔熱機理和隔

4、熱材料——設(shè)計熱防護系統(tǒng)。 （3）研究熱工測量技術(shù)——設(shè)計測試系統(tǒng)和進行試驗數(shù)據(jù)的高速采集。 （4）研究模糊PID控制技術(shù)——進行熱流加載的模糊控制，提高熱流加載設(shè)備的響應(yīng)速率和加載精度。 （5）開發(fā)試驗系統(tǒng)的測控程序——飛行器軌道數(shù)據(jù)的自動加載，瞬態(tài)氣動加熱計算，熱流的智能加載、數(shù)據(jù)高速測量和處理。 本文研究能夠為高超聲速飛行器提供服役環(huán)境下的材料導(dǎo)熱系數(shù)測試和氣動加熱與結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)耦合分析的試驗平臺，進