[发明专利]一种面向高超声速飞行器总体的主/被动热防护系统耦合设计方法

权利要求书

1.一种面向高超声速飞行器总体的主/被动热防护系统耦合设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：以高超声速飞行器的三维构型及划分网格、任务弹道和主动冷却参数为输入参数，基于热平衡方程利用工程算法求解获得高超声速飞行器气动热，输出气动热载、壁面温度和主动换热量；所述热平衡方程为气动加热量等于辐射耗散量与主动换热量之和；所述主动换热量等于壁面温度与冷却工质温度之差乘以等效换热系数；所述主动冷却参数包括等效换热系数、冷却工质温度；

步骤2：根据步骤1中得出的壁面温度，确定分析区域在全弹道下的最大壁面温度；以分析区域在全弹道下的最大壁面温度为输入条件，从事先建立的热防护概念数据库中为高超声速飞行器壁面的分析区域选择热防护概念，要求该分析区域在全弹道下的最大壁面温度小于所选择热防护概念的许用温度，进而得到整个高超声速飞行器的被动热防护概念分布；

步骤3：针对步骤2确定的被动热防护概念建立一维非稳态传热数值模型，并以步骤1得到的气动热载和主动换热量分别为外、内边界条件进行传热分析，计算被动热防护概念的温度分布；而后以内边界的设定温度和被动热防护概念各层材料的许用温度为约束，以被动热防护系统质量最轻为目标，以被动热防护概念中隔热层的厚度为设计参数，进行结构优化，计算获得最优的被动热防护系统的厚度和质量；以冷却工质的比热以及步骤1得到的主动换热量为输入，计算获得冷却工质的质量流量和允许的温升，

步骤4：判断步骤3得到的被动热防护系统的质量和厚度、主动热防护系统所需的冷却工质质量流量是否满足高超声速飞行器总体设计约束，如果满足，则当前系统可作为飞行器的主/被动热防护系统；若不满足，则修改主动冷却参数，重复步骤1至3，进行新一轮的设计，如此迭代直至最终满足高超声速飞行器总体设计约束。

2.根据权利要求1所述一种面向高超声速飞行器总体的主/被动热防护系统耦合设计方法，其特征在于：步骤1中任务弹道包括飞行时间、高度、速度、攻角和侧滑角。

3.根据权利要求1所述一种面向高超声速飞行器总体的主/被动热防护系统耦合设计方法，其特征在于：步骤1中采用的工程算法基于普朗特边界层理论，边界层外视作理想气体，边界层内为有粘气体，通过边界层外的计算获得边界层外气动参数，之后利用参考温度法计算获得边界层内的气动热。

4.根据权利要求1所述一种面向高超声速飞行器总体的主/被动热防护系统耦合设计方法，其特征在于：步骤2中热防护概念数据库包括热防护概念各层的密度、最大许用温度、辐射发射率、导热系数、比热和初始厚度。