热防护材料热环境与烧蚀热响应辨识方法研究.pdf

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1、博士学位论文热防护材料热环境与烧蚀热响应辨识方法研究RESEARCHONTHEIDENTIFICATIONOFTHETHERMALENVIRONMENTANDTHETHERMALABLATIONRESPONSEOFTHERMALPROTECTIONMATERIALS朱燕伟哈尔滨工业大学2018年5月国内图书分类号：V19学校代码：10213国际图书分类号：623密级：公开工学博士学位论文热防护材料热环境与烧蚀热响应辨识方法研究博士研究生：朱燕伟导师：孟松鹤教授申请学位：工学博士学科：工程力学所在单位：

2、航天学院答辩日期：2018年5月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V19U.D.C:623DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEIDENTIFICATIONOFTHETHERMALENVIRONMENTANDTHETHERMALABLATIONRESPONSEOFTHERMALPROTECTIONMATERIALSCandidate：ZhuYanweiSupervisor：Prof.MengSong

3、heAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：EngineeringMechanicsAffiliation：SchoolofAeronauticsDateofDefence：May,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要准确获得高速飞行气动热环境以及防热材料在热环境中的性能表现，对于热防护系统（Thermalprotectionsystem,

4、TPS）的设计和优化具有极其重要的意义。获取烧蚀防热系统热环境参数的一种可行方案是采用内埋式传感器测量材料内部温度，并根据测试温度辨识材料表面的热流密度。然而，防热材料烧蚀行为高度非线性和不确定性，以及反问题的不适定性，对烧蚀材料的热环境和烧蚀行为的准确辨识带来了极大挑战。本文围绕“热防护系统表面气动热环境测试”这一关键问题，重点开展了“防热材料内部温度测试方法”和“热解型烧蚀材料表面热流辨识与烧蚀热响应反演”工作，建立了一种根据地面/飞行测试数据辨识烧蚀材料参数和材料所承受气动热，并反演热解型防热材

5、料烧蚀过程的方法。本文具体研究内容如下：（1）针对热解型TPS材料的烧蚀特征，建立了其烧蚀过程的预报模型，并提出了合理的烧蚀反问题分析方法。分析蜂窝增强低密度防热材料（Honeycombreinforcedlightweightablator,HRLA）的烧蚀特征，建立了传质、传热和化学反应多场耦合烧蚀过程的数学模型；提出了用于热传导和材料烧蚀过程的反问题分析方法，并分别对以参数估计为目标的反问题和以边界条件为目标的反问题给出求解算法；为解决烧蚀反问题的误差敏感性和高度非线性问题，提出了对输入数据降噪

6、和待求解变量的合理范围进行限定的处理方法。（2）开展了基于嵌入式测量装置的非烧蚀材料的表面热流测试方法的研究，验证了反问题分析方法用于求解热传导反问题的适用性。设计了金属材质的嵌入式热流测量装置，获取装置内部的温度响应，该装置采用缝隙隔热的方式有效改善了防热材料和嵌入装置之间的热失配现象；针对嵌入式测量方法，提供了基于有限差分的高效热流辨识算法，降低了非烧蚀材料表面热流辨识的计算成本；制备并在风洞试验环境中测试了嵌入式热流测量装置，基于风洞试验数据和热流辨识算法，辨识了测量装置的表面热流密度，将辨识热

7、流与风洞标定热流对比分析，表明热流辨识算法和嵌入式表面热流测试方法的可行性。（3）针对烧蚀型热防护材料温度场易被干扰、温度测量精度差的问题，进行了烧蚀材料分层温度测量方法研究，通过热电偶布局设计有效降低了敏感元件对被测材料的温度干扰，提高了热防护材料内部温度的测量精度。基于该测量方法，利用高频等离子风洞提供的高温流场，设计和实施了HRLA材料烧蚀试验。对HRLA材料的烧蚀行为的分析结果表明，材料受热后内部分化成碳化层、热解层和原始材料层，其中热解层在热解气体压力作用下产生裂隙；材料-I-哈尔滨工业大学

8、工学博士学位论文的失重和表面后退量表现出与表面温度和表面热流正相关，与来流焓值负相关的关系；当热流高于1300kW/m2，或热流高于800kW/m2且焓值低于15.4MJ/kg时，表面产生烧蚀后退；在热流低于500kW/m2，或热流低于1000kW/m2且来流焓值超过17.6MJ/kg的热环境中，表面未发生烧蚀后退，HRLA材料表现出体积烧蚀行为。试验成功获取HRLA材料在不同热环境中的内部温度信息，为后续材料参数辨识和热流辨识提供依据。（4）开展了HR