[發明專利]一種氣動熱模擬試驗中冷壁熱流轉換為熱壁熱流的方法

有效

• 申請號: 201410568947.2
• 申請日: 2014-10-22
• 公開（公告）號: CN104267062A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 吳大方;王岳武;楊嘉陵;高鎮同;麥漢超
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

技術領域

本發明涉及一種氣動熱模擬試驗中冷壁熱流轉換為熱壁熱流的方法，屬于高速飛行器氣動熱試驗領域。特別是在使用輻射方式模擬導彈等高速飛行器的氣動加熱環境時，將由理論計算得到的冷壁熱流邊界條件轉換為實際所需的熱壁熱流邊界條件。

背景技術

導彈、高速飛機等飛行器在高馬赫數飛行時將會出現非常嚴重的“熱障”問題。以6個馬赫數飛行的高超聲速飛行器的前端天線罩錐部的瞬時熱流密度可高達1.2Mw/m²，駐點溫度將超過1200℃。航天飛機穿越大氣層時其機體、機翼、垂尾等大部分區域的溫度在750℃～1450℃之間，前錐端部和進氣道等部位甚至會出現接近1800℃的局部高溫區。如此極端惡劣的高溫熱環境條件，使得高聲速飛行器材料和結構的熱防護和熱強度問題成為事關研制成敗的關鍵問題。這是因為高速飛行時嚴重的氣動加熱所產生的高溫，會顯著降低高超聲速飛行器材料的強度極限和飛行器結構的承載能力，使結構產生熱變形，破壞部件的氣動外形并影響飛行器結構的安全性能。為保證高速飛行器的安全,確認飛行器的材料和結構是否能經得起高速飛行時所產生的熱燒蝕及高溫熱應力破壞,必須對高速飛行器材料和結構進行氣動熱模擬試驗。模擬飛行材料和結構在高速飛行時的受熱狀態,觀察分析在熱環境和力學環境作用下材料的力學性能及結構的受力狀況,從而進一步研究分析結構在高溫下的承載能力，該項工作對于導彈、高速飛機等飛行器的熱防護與安全設計具有極為重要的意義。

在進行輻射式加熱試驗時，模擬加熱環境的方式分為熱流邊界模擬與溫度邊界模擬兩種方式。對于表面附有燒蝕防熱涂層的結構，由于加熱過程中涂層產生燃燒、氣化、分解、剝離等物理或化學變化，表面溫度難于準確測量；另外非金屬材料由于受到材料特性和表面狀態以及傳感器安裝等因素的影響，其表面溫度的穩定可靠測量也非常困難。因此對于燒蝕材料和非金屬材料往往不能采用溫度邊界模擬方式，而是需要采用熱流邊界模擬方式進行氣動熱模擬試驗。

在計算外壁熱流條件時，外壁表面溫度會隨著加熱時間的改變而不斷變化，形成所謂“熱壁”。而這種不斷變化的不確定的熱壁邊界條件，使得熱壁熱流的計算變得很困難。因此在氣動加熱計算中往往采取簡化方式，即假設涂層表面溫度恒定于初始溫度不變，并將在此種假設條件下計算出的熱流密度稱作為“冷壁”熱流。雖然按照計算出的冷壁熱流進行加熱試驗不符合實際情況，但在難于測量和計算表面溫度的情況下，從研究或篩選防熱材料和結構的防熱性能或檢驗涂層工藝質量的角度出發，有一定借鑒作用(參考文獻：張鈺，結構熱試驗技術[M]，宇航出版社，1993，28-29)。

而以輻射方式進行的氣動熱模擬試驗時，由于測量與控制過程中使用的熱阻式熱流計得到的是熱壁熱流，而冷壁熱流在輻射式氣動熱試驗中沒有辦法通過試驗測量得到。因此，在模擬氣動熱環境時，必須將計算得到的冷壁熱流邊界條件轉換為熱壁熱流邊界條件。然后再進行以熱壁熱流邊界條件為基礎的熱環境試驗，在試驗前或在試驗過程中將冷壁熱流轉換成熱壁熱流的工作非常重要，且實現起來很困難。

有人提出過在熱試驗過程中先輸入冷壁熱流數據，再根據測量得到的壁面溫度實時轉換成熱壁熱流的方法(參考文獻：王智勇,巨亞堂,黃世勇.結構熱試驗中冷壁熱流邊界模擬方法研究[J].航天器環境工程,2008,25(1):33-35)。但是該方法出現了相互矛盾的問題，因為要在轉換過程中測量表面溫度，并用其修正計算值。而當初決定采用熱流邊界模擬環境時，就是因為在加熱過程中燒蝕試驗件或非金屬材料試驗件表面的溫度難于準確測量。現在若是使用不能準確測量的邊界溫度數據去修正冷壁熱流數據的方法可行的話，當初就可直接使用溫度測量的方法進行試驗，而不必使用熱流方式進行試驗。另外采用不準確的溫度數據去修正冷壁熱流數據，其結果的準確性和可靠性都存在問題。

雖然上述方法有一定的問題，但也說明了氣動熱試驗模擬中將冷壁熱流邊界條件轉換成熱壁熱流邊界條件的必要性和困難性。而將冷壁熱流轉換成熱壁熱流的工作對于高速飛行器氣動熱模擬試驗具有重要的應用價值。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種氣動熱模擬試驗中冷壁熱流轉換為熱壁熱流的方法，當使用輻射方式模擬導彈等高速飛行器的氣動加熱環境時，將由理論計算得到的冷壁熱流轉換為輻射加熱試驗中實際所需的熱壁熱流，為高速飛行器地面氣動熱模擬試驗提供一種實用的熱環境邊界條件確定方法。