高超声速飞行器热防护及红外辐射特性分析

摘要

高超声速飞行器其主要特点是飞行速度超高，可达到5倍音速或以上。其高机动性、快速打击能力、远距离的精确打击等非常规武器的性能，使该类飞行器收到各国的争相追捧。该类飞行器的动力可由超然冲压发动机提供，但是强烈的气动加热效应使得飞行器表面局部会产生极高的温度，尤其前缘驻点及翼缘部位，高温所产生的强辐射亦会使得飞行器更易被红外探测系统捕捉。这些因素均使得飞行器的生存性能受到极大的考验。因此，对飞行器进行热防护及红外隐身设计分析，提升飞行器的安全性能就显得尤为重要。
　　光子晶体材料由于内部光子带隙的存在，使得其可以实现局部波段辐射的全反射，同时具有较低的热导系数，使得该材料在热防护及红外隐身领域具有极高的应用价值。
　　本文主要围绕典型工况下飞行器内部、外部温度场及表面红外辐射特性进行分析。利用几种不同的工程热流密度计算公式，对比计算分析飞行器表面不同位置的热流密度大小。以计算出的热流密度作为边界条件，研究了典型工况下HIFIRE高超声速飞行器内外部温度场分布，并将该计算结果与基于Fluent流-热耦合计算结果进行对比验证。基于表面温度场数据，求解分析了飞行器表面红外辐射场，同时，对大气环境的影响作用予以充分考虑。最后，应用传输矩阵方法，计算分析了一维光子晶体材料的带隙分布，并提出了六种优化设计方案，同时，将光子晶体材料作为热防护材料，验证分析了光子晶体作为热防材料的可行性。
　　通过研究分析发现，光子禁带可以有效地抑制特定波段的红外辐射，应用文中提出的六种优化方案中针对3~5μm波段范围的“耦合优化方法”，可以有效地减小该波段范围内的总红外辐射，下降幅度达96.94％。文中所设计的C/SiC-PC-基体三层热防护组合系统，有着较强的热防护能力，能够有效地阻止热量向内部传递。
　　本文将光子晶体材料与热分析相结合进行计算讨论，分析探讨了一维光子晶体材料作为红外隐身及热防护材料的可能性，并据此提出六种优化设计方案及热防护材料组合方案，为高超声速飞行器红外隐身设计及热防护方案设计提供了一种新思路，具有一定的工程应用价值。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究背景和意义

1.2. 国内外研究现状

1.3. 主要研究内容

第2章 高超声速气动热工程算法

2.1 前言

2.2 驻点热流密度计算公式

2.3 非驻点区域热流密度计算公式

2.4 HIFIRE表面热流密度计算

2.5 本章小结

第3章 高超声速飞行器温度场模拟

3.1 前言

3.2 基于热流

3.3 基于流-热耦合

3.4 两种计算方法差别

3.5 本章小结

第4章 高超声速飞行器红外辐射特性分析

4.1 前言

4.2 红外辐射理论基础

4.3 大气环境对飞行器红外辐射特性的影响

4.4 飞行器红外辐射特性分析

4.5 背景辐射

4.6 本章小结

第5章 光子晶体热防护及红外隐身计算

5.1 前言

5.2 光子晶体理论模型

5.3 光子晶体材料

5.4 一维光子晶体模拟计算

5.5 一维光子晶体结构优化设计

5.6 红外隐身效能评估

5.7 光子晶体作为热防材料验证

5.8 含有光子晶体材料高超热防

5.9 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢