高超聲速飛行試驗(yàn)熱流密度測(cè)量方法與裝置研究.pdf

1、高超聲速飛行中，飛行器表面承受由復(fù)雜能量傳輸過(guò)程所引起的氣動(dòng)加熱載荷。對(duì)氣動(dòng)加熱進(jìn)行準(zhǔn)確量化是開(kāi)展飛行器熱防護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)效率、優(yōu)化飛行性能的關(guān)鍵。氣動(dòng)加熱載荷設(shè)計(jì)參量，多源于建立在不同程度假設(shè)基礎(chǔ)上且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的工程/數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，或各類高速風(fēng)洞設(shè)備的模擬試驗(yàn)結(jié)果，與真實(shí)飛行狀態(tài)存在不同程度的“偏離”。高超聲速飛行試驗(yàn)所獲取的實(shí)際環(huán)境載荷數(shù)據(jù)是驗(yàn)證與完善氣動(dòng)加熱計(jì)算方法、風(fēng)洞試驗(yàn)方法和天地相關(guān)性的唯一實(shí)踐參照。從上

2、世紀(jì)50年代至今，多個(gè)國(guó)家在高超聲速飛行試驗(yàn)中通過(guò)“嵌入式”或“內(nèi)置式”測(cè)量裝置進(jìn)行了飛行器表面熱流測(cè)試，獲取了寶貴的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但大多針對(duì)鈍體再入短時(shí)大熱流或長(zhǎng)時(shí)間小熱流情況。近二十年來(lái)，隨著各種新型高超聲速飛行器研發(fā)熱潮的到來(lái)，熱防護(hù)技術(shù)與能力得到了顯著提升，防熱材料與服役環(huán)境的耦合作用也愈發(fā)受到重視。在更為苛刻的服役環(huán)境下如何精確、可靠地獲取的飛行氣動(dòng)熱數(shù)據(jù)，推測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域提出了急迫需求和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要在測(cè)試方法、耐環(huán)境能力和熱

3、結(jié)構(gòu)匹配性等一系列科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題上取得突破。
　　本文從高超聲速飛行器研發(fā)需求出發(fā)，以獲取真實(shí)飛行的氣動(dòng)載荷為目標(biāo)，在通過(guò)“嵌入式”（Add-on）手段測(cè)量“冷壁熱流”技術(shù)途徑的基礎(chǔ)上，發(fā)展了可適應(yīng)更寬服役范圍的熱流密度測(cè)量方法及熱流辨識(shí)反問(wèn)題計(jì)算方法。結(jié)合典型飛行條件，設(shè)計(jì)并研制了飛行試驗(yàn)用熱流測(cè)量裝置，通過(guò)試驗(yàn)確定了接觸參數(shù)，利用相變機(jī)制預(yù)防結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)過(guò)載；搭建了兩種基于誤差傳遞體系的校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)校準(zhǔn)試驗(yàn)和燃?xì)馍淞骶C

4、合試驗(yàn)，驗(yàn)證了測(cè)試裝置的熱流辨識(shí)有效性與結(jié)構(gòu)可靠性。全文具體內(nèi)容如下：
　?。?）利用變截面圓柱作為測(cè)量裝置的基本外形，將其劃分為一維傳熱區(qū)域和熱沉區(qū)域，以一維傳熱區(qū)域不同位置的兩處溫度響應(yīng)分別作為目標(biāo)函數(shù)變量和邊界條件，開(kāi)展了基于Levenberg-Marquardt方法的非穩(wěn)態(tài)熱流密度參數(shù)辨識(shí)方法研究。通過(guò)多種金屬物性參數(shù)輸入與多組熱流密度-時(shí)間波形載荷下的仿真試驗(yàn)，證明了Levenberg-Marquardt方法對(duì)一維傳熱問(wèn)

5、題的辨識(shí)有效性，并優(yōu)選出無(wú)氧銅作為敏感材料；為解決表面溫度非均勻產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)間熱傳導(dǎo)及其引起的一維模型分析誤差，設(shè)計(jì)了由尖楔式護(hù)圈組成的多層過(guò)渡式隔阻方案，在一維傳熱辨識(shí)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，利用仿真試驗(yàn)兩測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，采用DS（Downhill-Simplex）方法對(duì)整體模型進(jìn)行表面熱流密度尋優(yōu)計(jì)算，藉此修正結(jié)構(gòu)間熱傳導(dǎo)引起的干擾。提出了增加溫度測(cè)點(diǎn)（增加目標(biāo)函數(shù)約束）、增加隔阻層（縮小優(yōu)化參數(shù)上下限范圍）兩種改進(jìn)方案，通過(guò)仿真

6、試驗(yàn)驗(yàn)證了有效性。
　?。?）在上述測(cè)試原理和方法的基礎(chǔ)上，探索了給定高超聲速飛行軌跡與幾何外形、熱防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)條件下熱流測(cè)量裝置的通用性設(shè)計(jì)方法。分析了對(duì)流條件下壁面溫度對(duì)傳熱過(guò)程及熱流辨識(shí)反問(wèn)題計(jì)算的影響。以Apollo再入飛行軌跡與平板外形為分析背景，基于“參考焓”方法計(jì)算來(lái)流參數(shù)，構(gòu)建了基于有限元擴(kuò)展應(yīng)用的“壁溫-對(duì)流熱流密度”耦合方法，并將耦合計(jì)算加入測(cè)量裝置設(shè)計(jì)的熱分析過(guò)程及熱流辨識(shí)的修正計(jì)算過(guò)程。分析了由于熱流測(cè)量

7、裝置嵌入而造成的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)“熱短路”效應(yīng)。
　?。?）為解決測(cè)量裝置嵌入防熱層所引起的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)“熱短路”效應(yīng)，將低熔點(diǎn)金屬引入測(cè)量裝置設(shè)計(jì)，利用材料相變潛熱的蓄能機(jī)制，使其在熔點(diǎn)附近維持較長(zhǎng)時(shí)間低溫進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的能量流動(dòng)控制。使用泡沫銅作為導(dǎo)熱增強(qiáng)骨架實(shí)現(xiàn)相變金屬的改性，通過(guò)數(shù)值仿真分析，給出了含導(dǎo)熱增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的相變材料等效熱物性并經(jīng)由試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，相同載荷條件下，測(cè)量裝置使用相變材料相較于增加熱沉體質(zhì)量的方案體積比為

8、0.49:1，重量比為0.46:1：具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)。
　?。?）為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)熱流密度辨識(shí)精度，根據(jù)誤差體系的傳遞原則，將經(jīng)過(guò)絕對(duì)校準(zhǔn)的戈登量熱計(jì)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展傳遞式校準(zhǔn)設(shè)備研制。設(shè)計(jì)了試驗(yàn)量級(jí)~100kW/m2的輻射式校準(zhǔn)設(shè)備與試驗(yàn)量級(jí)~270kW/m2的對(duì)流式校準(zhǔn)設(shè)備。輻射式校準(zhǔn)設(shè)備核心是含橢球形聚光結(jié)構(gòu)的鎢鹵燈裝置，通過(guò)光線追跡分析、戈登量熱計(jì)實(shí)測(cè)評(píng)估了設(shè)備輸出至參考表面熱流的均勻性與穩(wěn)定性。對(duì)流校準(zhǔn)設(shè)備核心是含分級(jí)加熱

9、器、可控風(fēng)源及噴管結(jié)構(gòu)的高溫?zé)犸L(fēng)設(shè)備，分析模擬了繞平頭模型的亞聲速流動(dòng)及傳熱過(guò)程，通過(guò)試驗(yàn)手段驗(yàn)證了流場(chǎng)品質(zhì)及平頭模型表面熱流密度的均勻性與穩(wěn)定性。對(duì)設(shè)備開(kāi)展不確定性分析得出：取擴(kuò)展因子k=2，輻射式設(shè)備三個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的擴(kuò)展合成相對(duì)不確定度分別為7.98％，6.85%，6.44%，對(duì)流設(shè)備三個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的擴(kuò)展合成不確定度分別為11.46%，8.09%，6.95%。
　　（5）制備了熱流密度測(cè)量裝置試件，通過(guò)相似外形試驗(yàn)件給出了接觸性能