高超声速飞行试验热流密度测量方法与装置研究

摘要

高超声速飞行中，飞行器表面承受由复杂能量传输过程所引起的气动加热载荷。对气动加热进行准确量化是开展飞行器热防护设计的基础，也是进一步提高结构效率、优化飞行性能的关键。气动加热载荷设计参量，多源于建立在不同程度假设基础上且经过验证的工程/数值模拟计算结果，或各类高速风洞设备的模拟试验结果，与真实飞行状态存在不同程度的“偏离”。高超声速飞行试验所获取的实际环境载荷数据是验证与完善气动加热计算方法、风洞试验方法和天地相关性的唯一实践参照。从上世纪50年代至今，多个国家在高超声速飞行试验中通过“嵌入式”或“内置式”测量装置进行了飞行器表面热流测试，获取了宝贵的飞行试验数据，但大多针对钝体再入短时大热流或长时间小热流情况。近二十年来，随着各种新型高超声速飞行器研发热潮的到来，热防护技术与能力得到了显著提升，防热材料与服役环境的耦合作用也愈发受到重视。在更为苛刻的服役环境下如何精确、可靠地获取的飞行气动热数据，推测量技术领域提出了急迫需求和严峻挑战，需要在测试方法、耐环境能力和热结构匹配性等一系列科学和技术问题上取得突破。
　　本文从高超声速飞行器研发需求出发，以获取真实飞行的气动载荷为目标，在通过“嵌入式”（Add-on）手段测量“冷壁热流”技术途径的基础上，发展了可适应更宽服役范围的热流密度测量方法及热流辨识反问题计算方法。结合典型飞行条件，设计并研制了飞行试验用热流测量装置，通过试验确定了接触参数，利用相变机制预防结构热设计过载；搭建了两种基于误差传递体系的校准试验平台，通过试验校准试验和燃气射流综合试验，验证了测试装置的热流辨识有效性与结构可靠性。全文具体内容如下：
　　（1）利用变截面圆柱作为测量装置的基本外形，将其划分为一维传热区域和热沉区域，以一维传热区域不同位置的两处温度响应分别作为目标函数变量和边界条件，开展了基于Levenberg-Marquardt方法的非稳态热流密度参数辨识方法研究。通过多种金属物性参数输入与多组热流密度-时间波形载荷下的仿真试验，证明了Levenberg-Marquardt方法对一维传热问题的辨识有效性，并优选出无氧铜作为敏感材料；为解决表面温度非均匀产生的结构间热传导及其引起的一维模型分析误差，设计了由尖楔式护圈组成的多层过渡式隔阻方案，在一维传热辨识计算结果基础上，利用仿真试验两测点的温度数据构造目标函数，采用DS（Downhill-Simplex）方法对整体模型进行表面热流密度寻优计算，藉此修正结构间热传导引起的干扰。提出了增加温度测点（增加目标函数约束）、增加隔阻层（缩小优化参数上下限范围）两种改进方案，通过仿真试验验证了有效性。
　　（2）在上述测试原理和方法的基础上，探索了给定高超声速飞行轨迹与几何外形、热防护材料和结构条件下热流测量装置的通用性设计方法。分析了对流条件下壁面温度对传热过程及热流辨识反问题计算的影响。以Apollo再入飞行轨迹与平板外形为分析背景，基于“参考焓”方法计算来流参数，构建了基于有限元扩展应用的“壁温-对流热流密度”耦合方法，并将耦合计算加入测量装置设计的热分析过程及热流辨识的修正计算过程。分析了由于热流测量装置嵌入而造成的热防护结构“热短路”效应。
　　（3）为解决测量装置嵌入防热层所引起的热防护结构“热短路”效应，将低熔点金属引入测量装置设计，利用材料相变潜热的蓄能机制，使其在熔点附近维持较长时间低温进而实现对整体结构的能量流动控制。使用泡沫铜作为导热增强骨架实现相变金属的改性，通过数值仿真分析，给出了含导热增强结构的相变材料等效热物性并经由试验验证。结果表明，相同载荷条件下，测量装置使用相变材料相较于增加热沉体质量的方案体积比为0.49:1，重量比为0.46:1：具有明显的效率优势。
　　（4）为准确评价热流密度辨识精度，根据误差体系的传递原则，将经过绝对校准的戈登量热计作为参考标准，开展传递式校准设备研制。设计了试验量级~100kW/m2的辐射式校准设备与试验量级~270kW/m2的对流式校准设备。辐射式校准设备核心是含椭球形聚光结构的钨卤灯装置，通过光线追迹分析、戈登量热计实测评估了设备输出至参考表面热流的均匀性与稳定性。对流校准设备核心是含分级加热器、可控风源及喷管结构的高温热风设备，分析模拟了绕平头模型的亚声速流动及传热过程，通过试验手段验证了流场品质及平头模型表面热流密度的均匀性与稳定性。对设备开展不确定性分析得出：取扩展因子k=2，辐射式设备三个实验状态的扩展合成相对不确定度分别为7.98％，6.85%，6.44%，对流设备三个实验状态的扩展合成不确定度分别为11.46%，8.09%，6.95%。
　　（5）制备了热流密度测量装置试件，通过相似外形试验件给出了接触性能估算值。对测量装置开展了辐射校准与对流校准，以戈登量热计数据作为参考标准进行了误差分析与修正。使用改进型矩形喷嘴的燃气射流设备对含测量装置的热防护结构试件进行了综合试验，验证了整体结构下热流密度辨识的有效性。制备了含相变材料测量装置试件，并通过辐射校准装置对其热响应过程进行了试验表征与分析。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 高超声速飞行器气动热与热防护

1.3 国外高超声速飞行热流密度测量技术发展历史

1.4 高超声速飞行热流密度测量的关键技术

1.5 国内相关研究现状

1.6 本文主要研究内容

第2章 热流密度测量的理论基础与算法实现

2.1 引言

2.2 L-M方法多参数辨识与热流密度反问题计算

2.3 L-M方法进行一维反问题计算的仿真试验

2.4 非一维条件下测量方案的热匹配设计

2.5 结构间传导影响的修正算法及仿真试验

2.6 本章小结

第3章 飞行试验热流密度测量装置的设计与研制

3.1 引言

3.2 飞行试验典型环境与热流测量设计分析

3.3 热流密度测量装置的制备与接触性能评估

3.4 金属相变材料应用于热流密度测量

3.5 本章小结

第4章 热流密度校准试验方法研究

4.1 引言

4.2 热流密度的校准试验方法

4.3 辐射式校准设备的研制

4.4 高温空气对流校准设备的研制

4.5 热流密度校准系统测量不确定度分析

4.6 本章小结

第5章 测量装置热流密度校准试验与综合试验

5.1 引言

5.2 辐射校准试验

5.3 对流校准试验

5.4 含测量装置的热防护结构燃气射流综合试验

5.5 含金属相变材料热沉的测量装置试验评价

5.6本章小结

结论

一、本文的主要结论

二、本文的创新点

三、展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历