高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究.pdf

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1、航天器环境工程第29卷第3期250SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERrNG2012年6月高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究吴大方1潘兵1，郑力铭2王岳武1，牟朦1，朱林1，李松年1(1．北京航卒航天人学航窄科学与工程学院，北京100191；2．北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：文章介绍了自行研制的石英灯红外辐射式气动加热试验模拟系统以及使用该系统对高超声速飞行器材料与结构进行的高温热评价试验。本热试验系统可实现升温速率高至200℃／s的非线性热冲击过程的动态模拟；能够生成1．8MW／m2热流密度的

2、瞬态非线性热试验模拟环境；能将试验环境温度提高到l500℃。在该热试验系统上完成了如下试验研究：1)金属蜂窝板结构在高温-950℃非线性热环境下的隔热性能评价试验和数值模拟；2)对SiC／SiC复合材料试件在1300～1500℃下的隔热性能评价试验；3)采用轴向非分段加热试验方式对圆柱型壳体结构(长2．1m)内壁进行高温热环境试验。本试验系统在可控的非线性温升速率、高温高热流密度变化过程的动态模拟、热试验环境模拟的准确性以及非接触式全场高温变形测量等方面的研究成果达到了国际先进水平。关键词：高超声速飞行器；高温热试验：石英灯；红外辐射；气动加热；隔热性能

3、中图分类号：V416．5文献标识码：A文章编号：1673—1379(2012)03—0250—09DOI：10．3969／i．issn．1673．1379．2012．03．003O引言随着航空航天技术的发展，远程机动飞行器的设计乜行速度在不断提高。与此同时，现代战争对飞行器高速、高精度、高机动性的作战性能要求，引发世界各国竞相开展高超卢速飞行器的研制工作。从运动速度而言，当飞行器速度超过5倍声速(＆PMa>5)时，一般称为高超声速飞行器。高超声速飞行器能够实现全球远距离快速到达，实施有效的高空高速突防，完成快速精确打击。由于其具有极其重要的军事应用价值和

4、重大的战略意义，步入21世纪以来，高超声速飞行器已经成为世界各主要航天大国研究的热点。例如，美国航空航天局(NASA)投入巨额经费研究开发速度为10～15倍声速的极超声速飞机【l也J：俄罗斯目前在着力研究发展Ma=14的具有超“领空”打击能力的空天飞机[3-41；法国围防部计划研带lJMa=12的高超声速机动飞行器pJ：日本己在进行Ma=10的高超声速飞行器的实验飞行

5、6J。在各国竞相开展高超声速飞行器研制的大背景下，我国也在努力开展高超声速远程机动飞行器的研究uJ。随着高超声速飞行器的设i．t1飞行速度大幅度提高，由气动加热产生的高温热环境变得越来越严

6、酷。以Ma=6的高超声速飞行器为例，其前端天线罩锥部的瞬时热流密度可超过1．2MW／m2，驻点温度可高达1200℃。由文献[8]记载的美国航天飞机穿越大气层时各部位的温度分布可知，机体、机翼、垂尾等大部分区域的温度在750～l450℃之间，飞行器前锥端部和进气道等部位甚至会出现接近1800℃的局部高温区。高速飞行时严重的气动加热所产生的高温，会显著降低高超声速飞行器材料的强度极限和飞行器结构的承载能力，使结构产生热变形，破坏部件的气动外形并影响飞行器结构的安全性能。可以说高超声速飞行器材料和结构的热防护与热强度问题已成为事关飞行器研制成败的关键。为保证岛

7、速飞行器的安全，须对相关材料和结构进行静态、动态的气动模拟试验与热强度试验，收稿日期：20t2—03．29；修回日期：2012—05—30基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：1】172026，11002012)；中国航天科技集团航天科技创新基金(项目编号：CASC20110I)作者简介：吴大方(1950)，男，教授，博士生导师，研究领域为高速飞行器结构热试验技术．智能结构振动控制和固体力学。E．mail：wdn950@163．com，第3期吴大方等：高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究模拟这些材料和结构高速飞行时的真实受热状况，分析

8、热应力、热变形、结构膨胀量等高温力学性能参数的变化对结构强度的影响；在热环境和力学环境复合作用下观察分析材料的力学性能及结构的受力状况，进一步评价结构在高温下的承载能力、使用寿命以及安全可靠性。该项研究具有重要的工程应用价值。本文采用自行研制的石英灯红外辐射式气动热试验模拟系统(试验环境温度可达到l500℃)，在验证该系统能够极快速实现非线性高速热冲击过程的动态模拟的前提下，对质量轻、抗变形能力强的金属蜂窝板结构在950℃非线性高温热环境下以及SiC／SiC等复合材料在l4001500℃高温下的隔热性能进行了试验测试；开展了可提高大型结构试验件(如圆柱型

9、壳体结构)内壁温度场均匀性的非分段加热高温热环境试验。本文的研究旨在为我国高温热