[發(fā)明專利]飛行器頭部駐點(diǎn)燒蝕區(qū)域的碳基防熱材料燒蝕預(yù)測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211360859.4
• 申請日: 2022-11-02
• 公開（公告）號: CN115688278A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李青;余釗圣;袁先旭;林昭武;李婷婷
• 申請（專利權(quán)）人: 中國空氣動力研究與發(fā)展中心計算空氣動力研究所
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14;G06F113/26
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 周浩杰

本發(fā)明公開了一種飛行器頭部駐點(diǎn)燒蝕區(qū)域的碳基防熱材料燒蝕預(yù)測方法，屬于航空航天技術(shù)領(lǐng)域，包括步驟：碳基防熱材料損失質(zhì)量的物理過程包括氣動力剝離燒蝕顆粒物理過程，在氣動力剝離燒蝕顆粒物理過程中，利用燒蝕顆粒氣動力剝離速度規(guī)律，并采用Hiemenz流動作為駐點(diǎn)流模型計算氣動力剝離燒蝕顆粒引起的燒蝕質(zhì)量損失；基于燒蝕質(zhì)量損失計算結(jié)果，預(yù)測燒蝕質(zhì)量剝離和燒蝕壁面后退速度。本發(fā)明解決了新型碳基復(fù)合材料燒蝕質(zhì)量和界面后退速度無法預(yù)測的難題，實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破，易于推廣應(yīng)用，潛在工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空航天技術(shù)領(lǐng)域，更為具體的，涉及一種飛行器頭部駐點(diǎn)燒蝕區(qū)域的碳基防熱材料燒蝕預(yù)測方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的燒蝕防熱材料是基于硅基材料，其燒蝕預(yù)測方法基于氣液兩相流或者氣/氣兩相流原理：即考慮高溫硅基燒蝕防熱材料在高溫下氣化，通過給定邊界條件，如氣體引射，求解外流氣體動力學(xué)方程來動態(tài)獲得燒蝕形貌和燒蝕質(zhì)量損失流量。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，目前高速飛行器采用了比傳統(tǒng)硅基材料更輕質(zhì)，力學(xué)強(qiáng)度更堅固，更耐高溫，燒蝕質(zhì)量更少的新型碳基復(fù)合材料作為防熱材料。

新型燒蝕防熱材料的應(yīng)用，給高速燒蝕飛行器的熱防護(hù)設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。新型燒蝕防熱材料采用的碳基復(fù)合材料由碳纖維編織物、酚醛填充樹脂和無機(jī)改性顆粒(如鋯化硅)組成。在極端高溫下，不同組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一方面產(chǎn)生氣體引射，氣體引射帶來的質(zhì)量損失是小量；另一方面在材料表面形成硅基熔融層保護(hù)表層一下的防熱材料免受熱流和高溫氣體侵蝕，避免發(fā)生熱解。換句話說，新型碳基復(fù)合材料的燒蝕剝離是一層一層地被剝離，高溫只能融化表面碳基復(fù)合材料，然后熔融層被氣動力剝離；而傳統(tǒng)的硅基材料，一旦受熱，整個硅基結(jié)構(gòu)都會形成熔融物，被氣動力以塊狀的形式剝離。此外，由于硅基熔融層巨大的表面張力，其無法維持液體薄膜的物理形態(tài)，而是以液滴的形式與尚未反應(yīng)的無機(jī)顆粒共同附著在材料表面。高速氣流經(jīng)過燒蝕材料表面，通過氣動力將顆粒和液滴剝離表面，從而使得燒蝕材料界面后退，如圖1a、圖1b所示。

綜上所述，新型碳基燒蝕材料的燒蝕質(zhì)量剝離過程與傳統(tǒng)硅基材料完全不同，這導(dǎo)致新型高速飛行器的燒蝕熱防護(hù)設(shè)計異常困難，傳統(tǒng)的預(yù)測方法完全無法適用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種飛行器頭部駐點(diǎn)燒蝕區(qū)域的碳基防熱材料燒蝕預(yù)測方法，解決了新型碳基復(fù)合材料燒蝕質(zhì)量和界面后退速度無法預(yù)測的難題，實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破，易于推廣應(yīng)用，潛在工業(yè)經(jīng)濟(jì)效益好等。

本發(fā)明的目的是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的：

一種飛行器頭部駐點(diǎn)燒蝕區(qū)域的碳基防熱材料燒蝕預(yù)測方法，包括步驟：碳基防熱材料損失質(zhì)量的物理過程包括氣動力剝離燒蝕顆粒物理過程，在氣動力剝離燒蝕顆粒物理過程中，利用燒蝕顆粒氣動力剝離速度規(guī)律，并采用Hiemenz流動作為駐點(diǎn)流模型計算氣動力剝離燒蝕顆粒引起的燒蝕質(zhì)量損失；基于燒蝕質(zhì)量損失計算結(jié)果，預(yù)測燒蝕質(zhì)量剝離和燒蝕壁面后退速度。

進(jìn)一步地，所述利用燒蝕顆粒氣動力剝離速度規(guī)律，并采用Hiemenz流動作為駐點(diǎn)流模型計算氣動力剝離燒蝕顆粒引起的燒蝕質(zhì)量損失，包括子步驟：

S1，計算在駐點(diǎn)流條件下考慮顆粒和流體慣性效應(yīng)修正的顆粒啟動速度；

S2，計算得到的顆粒啟動速度等于燒蝕顆粒的剝離速度，也就是燒蝕材料的質(zhì)量損失速度或界面后退速度。

進(jìn)一步地，在步驟S1中，包括子步驟：

S11，初步測量碳基復(fù)合材料里碳基纖維和無機(jī)顆粒的直徑范圍d_p和顆粒密度ρ_p，對于氧化硅熔融層形成的液滴直徑和密度能夠確定性地獲得；