陶瓷隔热瓦是高速飞行器热防护系统的重要结构。跨声速飞行过程中,当激波在飞行器表面形成压力突变,在激波压力梯度作用下隔热瓦中会产生严重的间隙内流。瓦与瓦之间的间隙内流、隔热瓦和应变隔离垫中的多孔介质渗流都会对陶瓷隔热瓦的气动载荷产生显著影响。采用纳维-斯托克斯方程和Spalart-Allmaras湍流模型,建立了考虑间隙内流和应变隔离垫渗流的隔热瓦载荷计算模型,对隔热瓦的间隙内流、应变隔离垫渗流和隔热瓦载荷进行了FLUENT数值仿真。计算结果与NASA实验结果的偏差不超过3.3%。在此基础上,研究了应变隔离垫的渗流系数、间隙宽度对隔热瓦载荷的影响规律。计算结果表明:①本文方法考虑间隙流的局部损失,理论精度高于线性蠕流理论,对比本文计算结果和蠕流线性公式结果,压力偏差在间隙流动的拐角处高达10.6%;②随材料Darcy粘性系数增...

飞行器热防护系统精细化设计是提高热防护系统性能、降低系统质量的必要途径。通过构建典型形状(球头、平板、锥体)热防护系统概率化模型,研究不同来流环境热流、几何外形参数以及材料热物性参数等输入参数的概率特性分布在热防护系统设计中的传播特性,及其对典型形状热防护性能的影响。提出了不同几何外形的三维物理场快速预测模型遴选方法。讨论系统温度场分布、系统热防护特性对外形不确定参数的敏感性,开展不同外形几何隔热层厚度优化及其可靠性评估,为热防护层精细化研究提供理论支撑。

以气体引射冷却为代表的主动式热防护系统是未来先进热防护技术的重要发展方向,对于改善飞行器重要区域的热环境有广泛应用前景,研究其对于流动和热环境的影响规律具有重要意义。针对典型的平板-舵结构,在超声速激波风洞中研究了主动引射冷却系统在不同喷流条件下对于模型空间流场结构和典型区域热环境的影响规律。试验结果表明随着引射喷流马赫数的增大,喷流形成的弓形激波逐渐增强,与平板表面的夹角逐渐增大。模型中舵尖下方平板、舵轴前平板、舵轴前舵底面、舵前端以及舵轴迎风面的降热效果显著高于附近其他区域。当引射喷流马赫数为4时,上述各区域的降热率约为70%~90%。

目前,高超声速飞行器结构热防护设计中,一般采用CFD软件计算得到流体域气动网格节点上的热流,而采用固体结构网格进行隔热瓦厚度设计。这两组网格界面上的节点数和节点位置相差很大,因此设计中需要进行不同网格之间的热流(载荷)数据传递。另外,在不同的飞行轨道工况下,飞行器各个部位的热流–时间曲线也不相同。为了设计出能满足所有轨道工况要求的隔热瓦,就需要对每个结构网格点拟合出一条能代表最严酷工况的热流–时间包络曲线。文章基于常体积转换法(CVT)进行改进,提高热流插值转换计算效率,提出拟合包络载荷曲线的新方法,大大减少了计算工作量;最后通过算例对提出的方法进行了验证。