高超声速飞行器热防护系统设计方法

• 作 者: 张志刚
• 发表日期: 2014年期
• 关键词: 热环境 激波风洞 电弧风洞 热防护材料

目前各类高超声速飞行器发展如火如荼，热防护系统设计成为高超声速飞行器设计中的关键制约因素和主要技术瓶颈。本文结合国内外的研究现状，依托中国空气动力研究与发展中心超高速所的激波风洞、电弧风洞等试验设备，利用气动热数值模拟软件AHENS、气动热工程计算软件AHEAPS，给出了典型高超声速飞行器的热环境预测、典型热防护材料制备与评价、热防护方案设计与校核等研究方法。首先，通过在激波风洞上开展测热试验，获得了飞行器的热环境分布特征和典型位置的热流分布，为数值软件和工程软件的校核提供了数据支持。然后利用数值软件AHENS，采用有限体积方法求解三维NS方程，获得了飞行器在风洞试验条件和飞行条件下的热环境。利用工程软件AHEAPS，基于部组件拆分的思想，采用无粘表面流线法和片条法计算了飞行器表面的气动热环境。通过与试验结果的比较，验证了数值计算软件和工程计算软件的可靠性，并综合试验数据和数值计算数据，对典型复杂外形飞行器沿飞行历程进行了气动热计算分析。然后，介绍了高超声速飞行器常用的热防护材料及其制备方法，针对典型的热防护材料，概括了常用的热防护材料评价方法，并简要介绍了飞行器的分区设计思想。最后，根据飞行器不同位置的热环境特征，开展了热防护方案设计，形成了典型位置的热防护方案。在电弧风洞上对热防护方案进行了校核，通过校核验证了热防护方案的有效性。本文从设计方法研究的角度出发，采用的设计方法具有一定的通用性，涵盖了高超声速飞行器热防护初步设计的各个环节，可以推广应用到常规的高超声速飞行器热防护方案设计中。