多工况微结构热控机理研究

摘要

高超声速飞行器作为当今世界主要大国竞相研制的新型飞行器，具有极为重要的经济价值及军用价值。随着超燃冲压等推进技术的日益发展，飞行器的飞行马赫数大幅提升，伴随而来的则是工作环境更加恶劣。尤其是飞行器舵翼处，在长时间的极端气动热载荷作用下，机体材料的温度显著升高，进一步提高飞行速度，极易引起“飞行热走廊”的限制。
　　ABL机载激光武器作为高功率激光武器的代表，是当今美国重点研制的一种新概念武器。高功率激光辐照材料所造成的毁伤主要包括热破坏、力学破坏以及辐射破坏三个方面，直接表征烧蚀特性的参数是激光对材料造成的热力效应。
　　光子晶体结构因其组成材料具有低导热系数，同时结构本身产生的光能禁带可有效的反射电磁波能量，因而，在热防护领域成为了一种新兴的研究热点。
　　本文以某型高超声速飞行器的舵翼结构在6Ma下飞行过程，以及ABL机载激光武器的典型作战过程为目标工况。以光子晶体结构为热防护材料，分别对有无光子晶体防护结构条件下，两种工况的温度场、应力场等关键参数进行了计算和分析。其中，高超声速飞行器舵翼结构气动加热过程的计算过程采用数值模拟软件进行；ABL机载激光武器系统的典型作战过程，则通过构建 ABL仿真系统设计框架与算法流程，开发出一套虚拟仿真系统进行研究。结合两种典型工况下光子晶体结构的防护效果，提出了两大类共5种优化方案，对光子晶体防护结构的热防护性能进行优化设计。
　　研究结果表明，光子晶体结构组成材料的导热系数低这一特性，是其对激光辐照具有较好防护性能的主要因素；光子晶体结构本身产生的光能禁带，则是其对于高超声速气动加热具有良好防护性能的关键因素。
　　同时，研究结果表明，给定工况后，采用所提出的5种优化方案进行光子晶体结构的设计，可以很大程度的使光子晶体结构的防护性能得到优化。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

主要符号表

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的背景和意义

1.2 国内外对两种工况热防护的研究现状

1.3 国内外在微尺度热防护结构方向的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 高超声速飞行器气动加热计算

2.1 引言

2.2 高超声速飞行器气动热计算模型

2.3 基于ANSYS软件的高超声速飞行器气动热计算建模

2.4 基于ANSYS软件的高超声速飞行器气动热计算结果

2.5 本章小结

第3章 激光辐照弹道导弹特性计算

3.1 引言

3.2 ABL仿真系统总体模型

3.3 ABL仿真平台模块计算初始值给定

3.4 ABL仿真平台仿真计算模型

3.5 毁伤程度评估模型

3.6 本章小结

第4章 光子晶体热防护计算

4.1 引言

4.2 光子晶体热防护层原理

4.3 光子晶体热防护层模型简介

4.4 光子晶体热防护层用于高超声速飞行器防护

4.5 光子晶体热防护层用于激光辐照防护

4.6 本章小结

第5章 光子晶体热防护结构的优化设计

5.1 引言

5.2 光子晶体的种类及制备方法

5.3 光子晶体特性的研究方法

5.4 3D-PCs禁带的仿真计算

5.5 不改变晶格常数对3D-PCs防辐射特性的优化设计计算

5.6 变晶格常数对3D-PCs防辐射特性的优化设计计算

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢