高超声速飞行试验热流密度测量方法与装置研究

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1、博士学位论文高超声速飞行试验热流密度测量方法与装置研究HEATFLUXMEASUREMENTMETHODANDINSTRUMENTFORHYPERSONICFLIGHTTEST丁小恒哈尔滨工业大学2015年9月国内图书分类号：V417学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文高超声速飞行试验热流密度测量方法与装置研究博士研究生：丁小恒导师：孟松鹤教授申请学位：工学博士学科：工程力学所在单位：航天学院答辩日期：2015年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V417U.D.C:621Dissertationforthe

2、DoctoralDegreeinEngineeringHEATFLUXMEASUREMENTMETHODANDINSTRUMENTFORHYPERSONICFLIGHTTESTCandidate：DingXiaohengSupervisor：Prof.MengSongheAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：EngineeringMechanicsAffiliation：SchoolofAstronaticsDateofDefence：September,2015Degree-Conferring

3、-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要高超声速飞行中，飞行器表面承受由复杂能量传输过程所引起的气动加热载荷。对气动加热进行准确量化是开展飞行器热防护设计的基础，也是进一步提高结构效率、优化飞行性能的关键。气动加热载荷设计参量，多源于建立在不同程度假设基础上且经过验证的工程/数值模拟计算结果，或各类高速风洞设备的模拟试验结果，与真实飞行状态存在不同程度的“偏离”。高超声速飞行试验所获取的实际环境载荷数据是验证与完善气动加热计算方法、风洞试验方法和天地相关性的唯一实践参照。从上世纪50年代至今，多个国家在高超声速飞行试验中

4、通过“嵌入式”或“内置式”测量装置进行了飞行器表面热流测试，获取了宝贵的飞行试验数据，但大多针对钝体再入短时大热流或长时间小热流情况。近二十年来，随着各种新型高超声速飞行器研发热潮的到来，热防护技术与能力得到了显著提升，防热材料与服役环境的耦合作用也愈发受到重视。在更为苛刻的服役环境下如何精确、可靠地获取的飞行气动热数据，推测量技术领域提出了急迫需求和严峻挑战，需要在测试方法、耐环境能力和热结构匹配性等一系列科学和技术问题上取得突破。本文从高超声速飞行器研发需求出发，以获取真实飞行的气动载荷为目标，在通过“嵌入式”（Add-on）手段测量“冷壁热流”技术途径的基础上，

5、发展了可适应更宽服役范围的热流密度测量方法及热流辨识反问题计算方法。结合典型飞行条件，设计并研制了飞行试验用热流测量装置，通过试验确定了接触参数，利用相变机制预防结构热设计过载；搭建了两种基于误差传递体系的校准试验平台，通过试验校准试验和燃气射流综合试验，验证了测试装置的热流辨识有效性与结构可靠性。全文具体内容如下：（1）利用变截面圆柱作为测量装置的基本外形，将其划分为一维传热区域和热沉区域，以一维传热区域不同位置的两处温度响应分别作为目标函数变量和边界条件，开展了基于Levenberg-Marquardt方法的非稳态热流密度参数辨识方法研究。通过多种金属物性参数输入

6、与多组热流密度-时间波形载荷下的仿真试验，证明了Levenberg-Marquardt方法对一维传热问题的辨识有效性，并优选出无氧铜作为敏感材料；为解决表面温度非均匀产生的结构间热传导及其引起的一维模型分析误差，设计了由尖楔式护圈组成的多层过渡式隔阻方案，在一维传热辨识计算结果基础上，利用仿真试验两测点的温度数据构造目标函数，采用DS（Downhill-Simplex）方法对整体模型进行表面热流密度寻-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文优计算，藉此修正结构间热传导引起的干扰。提出了增加温度测点（增加目标函数约束）、增加隔阻层（缩小优化参数上下限范围）两种改进方案，通过

7、仿真试验验证了有效性。（2）在上述测试原理和方法的基础上，探索了给定高超声速飞行轨迹与几何外形、热防护材料和结构条件下热流测量装置的通用性设计方法。分析了对流条件下壁面温度对传热过程及热流辨识反问题计算的影响。以Apollo再入飞行轨迹与平板外形为分析背景，基于“参考焓”方法计算来流参数，构建了基于有限元扩展应用的“壁温-对流热流密度”耦合方法，并将耦合计算加入测量装置设计的热分析过程及热流辨识的修正计算过程。分析了由于热流测量装置嵌入而造成的热防护结构“热短路”效应。（3）为解决测量装置嵌入防热层所引起的热防护结构“热短路”效应，将低熔点金属引入测