[发明专利]一种烧蚀热防护系统结构气动热/传热耦合分析方法

说明书

本发明涉及一种烧蚀热防护系统结构气动热/传热耦合分析方法，步骤如下：获得烧蚀热防护区域的气动热环境数据；制备烧蚀材料分层传感器；基于电弧风洞开展带分层温度/烧蚀传感器的平板热考核试验，获得试验条件下材料内部的温度以及热解厚度变化规律；开展考虑烧蚀效应的材料高温热物性参数辨识研究，获得动态气动加热条件下烧蚀材料热导率、比热容等热物性参数随温度的变化关系；根据得到辨识数据和得到的烧蚀热防护区域的气动热环境数据开展烧蚀热防护系统气动热/传热耦合分析。本发明能够有效解决烧蚀热防护系统的结构热响应精确评估难题。

技术领域

本发明属于烧蚀热防护结构热响应分析及评估技术领域，涉及一种烧蚀热防护系统气动热/传热耦合分析方法。

背景技术

烧蚀型复合材料在气动加热作用下会发生热解和烧蚀反应，原始层材料中的分子聚合物发生热分解反应，热解反应产生大量的气体，主要包括H2、CO、H2O和甲烷等，并最终形成多孔的碳化层结构；随着热解反应的进行，大量热解气体聚集并扩散通过多孔碳层结构引射进入边界层，另一方面热解气体对多孔碳层结构起到冷却降温作用，另一方面增加材料表面边界层厚度，降低了气动热交换和剪切力，即热阻塞效应；同时碳化层还会与氧化性组份发生反应，材料表面在发生烧蚀后退的同时增大表面的注入热流。烧蚀热防护系统在气动加热作用下的氧化烧蚀现象是流动/传热/传质/化学反应等多场耦合的复杂物理化学过程，材料的结构热响应与气动加热之间存在显著的耦合相互作用，热解气体引射、碳化层氧化烧蚀等均会影响材料表面的气动加热，而气动加热反过来会影响材料的热解和烧蚀速率，两者之间的耦合效应提高了结构热响应分析难度。

另外，伴随着材料的热解/烧蚀等复杂物理化学过程，烧蚀材料的热导率、比热容等热物性参数会发生非线性变化，并且热物性参数的变化规律与气动加热条件紧密相关，目前广泛采用的瞬态激光脉冲法、热探针法等传统方法只能应用于非烧蚀类材料，不能反应动态烧蚀过程中复杂物理化学过程对高温有效热物性参数的影响，所获得的材料热物性参数难以满足高超声速飞行器烧蚀型热防护系统的精细化设计要求。

烧蚀材料在气动加热作用下的复杂物理化学过程以及热物性参数的非线性变化使得烧蚀热防护系统的结构热响应精确评估有很大的技术难度，需要有针对性的发展相应的气动热/传热耦合分析方法，以支撑高速飞行器烧蚀热防护系统设计。

发明内容

本发明的目的在于克服现有烧蚀热防护系统热响应分析技术的不足，采用地面试验+参数辨识+理论分析相结合的手段，建立可靠的烧蚀热防护系统结构热响应分析方法，通过开展带分层温度/烧蚀传感器的平板电弧风洞热考核试验和考虑烧蚀效应材料高温热物性参数辨识，以达到提高烧蚀型热防护系统结构热响应预测精度的目的。

本发明的技术解决方案：

根据本发明的一个方面，提供一种分层温度和烧蚀传感器，所述的分层温度和烧蚀传感器的敏感芯元件采用与弹体热防护结构一致的烧蚀材料，所述的分层温度传感器敏感芯元件中包括若干个温度测量点，所述的分层烧蚀传感器敏感芯元件中包括若干个电压测量点，所述的温度测量点与电压测量点处于深度不同的位置。

进一步的，所述的温度测量点的位置设置原则为：根据所关注的内部温度来确定。

进一步的，所述的温度测量点的数量选取原则为：在一维传热系统中，温度测点的个数与已知的边界条件的个数的和大于3。

进一步的，所述的电压测量点数量和位置的选择根据需要关注的烧蚀位置确定。

根据本发明的另一个方面，提供一种烧蚀热防护系统结构气动热/传热耦合分析方法，步骤如下：

开展高速飞行器沿弹道的气动热分析，获得烧蚀热防护区域的气动热环境数据；

制备烧蚀材料分层传感器，包括分层温度传感器和分层烧蚀传感器；