高速飞行器高温燃气逆向射流与发汗热防护的研究

• 作 者: 沈斌贤
• 机 构: 国防科技大学
• 出 处: 国防科技大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 高速飞行器 热防护方法 逆向射流 层板发汗 燃气

高速飞行器是新时代航空航天领域研究的重点,其应用对于加速人类开拓太空、探索宇宙具有重要意义,热防护作为限制高速飞行器进一步提速的关键技术,对高速飞行器的应用及其突破性进展起着至关重要的作用。受到结构和材料的限制,传统的被动热防护和半被动热防护,难以适应未来高马赫、长时间、可重复的飞行条件,因此必须发展更加先进有效的主动热防护技术来满足未来的飞行任务,其中,通过流场控制而减小气动加热的主动热防护方法受到了青睐。逆向射流及其组合热防护方法就属于主动流动控制热防护方法,其原理是在飞行器头部驻点区逆向射出冷却介质,高强度的逆向射流将激波推离壁面,从而减小自由来流对飞行器表面的气动加热,其次低温的冷却介质在两侧形成低温回流区,进一步对飞行器结构进行隔热与冷却。本文以高速飞行器头部热防护结构为研究对象,以数值仿真为主要手段,对高速飞行器头部逆向射流及其组合热防护特性开展了系统地探讨。首先,对不同总压比逆向射流的流动模式及流场结构进行了数值与试验研究,获得了六种不同的流场结构。六种结构包括射流无法射出时的超声速钝体绕流结构,低压条件下射流亚临界射出与达到音速射出时的短射流模式,中压条件时的非稳态长射流模式（单次膨胀与多次膨胀）和高压时的短射流模式,分析表明较高压力下的短射流模式才具备高效的热防护性能。通过试验获得了低压短射流、中压长射流和高压短射流三种流动模式并与数值计算结果进行了比较,验证了数值方法的正确性。其次,提出采用固体燃气发生器作为逆向射流的介质供应系统,采用燃气发生器燃烧产生的燃气作为逆向射流的介质。通过数值仿真研究了燃气温度对逆向射流的减阻及防热性能的影响,研究表明高温燃气有利于提升逆向射流的减阻性能,但是会削弱其热防护性能,通过提升逆向射流的强度,可以增强射流的热防护效果。分析了射流马赫数对逆向射流减阻与防热性能的影响,在射流总压,总温和流量不变的情况下,通过拉法尔喷管对射流加速而降低射流静温的方法不会改善逆向射流的防热性能。第三部分在逆向射流的基础上引入层板发汗结构,驻点区采用逆向射流,再附区采用层板发汗进行强化热防护,充分利用两种热防护方式的优点,克服逆向射流再附区和层板发汗驻点区热防护性能差的缺点,形成组合热防护方式。分析了组合热防护结构的外流和壁面传热特性,计算表明发汗的引入有利于提升结构的热防护性能;然后进一步研究了攻角飞行时,组合结构的壁面传热性能,研究表明,引入的发汗流可以改善迎风面热环境恶劣区域的热防护性能。第四部分对球头结构的整体热状态进行了分析,首先对常温空气和高温燃气逆向射流球头结构进行了分析,获得了球头结构的热状态,高温燃气的引入会降低逆向射流的防热性能。其次对组合热防护结构的热防护性能进行了分析,分析了发汗流在结构内部流动时的吸热作用和在球头外部的隔热作用,发汗流的引入大幅提升了逆向射流热防护结构的冷却性能。最后分析了高温燃气对组合热防护的影响,研究表明高温燃气发汗对热防护性能的提升有限,而采用高温燃气逆向射流与常温空气发汗的组合热防护,通过合理地选择参数,可以用更少的流量获得比单纯常温空气逆向射流更好的热防护效果和热防护效率。本文基于逆向射流热防护机理,将高温燃气与层板发汗引入逆向射流热防护结构中,达到提升逆向热防护效率和简化逆向射流结构的目的,对于逆向射流的应用具有重要的工程意义。