本文關(guān)鍵詞：高超聲速飛行試驗(yàn)熱流密度測(cè)量方法與裝置研究

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【摘要】：高超聲速飛行中,飛行器表面承受由復(fù)雜能量傳輸過(guò)程所引起的氣動(dòng)加熱載荷。對(duì)氣動(dòng)加熱進(jìn)行準(zhǔn)確量化是開(kāi)展飛行器熱防護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),也是進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)效率、優(yōu)化飛行性能的關(guān)鍵。氣動(dòng)加熱載荷設(shè)計(jì)參量,多源于建立在不同程度假設(shè)基礎(chǔ)上且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的工程/數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,或各類高速風(fēng)洞設(shè)備的模擬試驗(yàn)結(jié)果,與真實(shí)飛行狀態(tài)存在不同程度的“偏離”。高超聲速飛行試驗(yàn)所獲取的實(shí)際環(huán)境載荷數(shù)據(jù)是驗(yàn)證與完善氣動(dòng)加熱計(jì)算方法、風(fēng)洞試驗(yàn)方法和天地相關(guān)性的唯一實(shí)踐參照。從上世紀(jì)50年代至今,多個(gè)國(guó)家在高超聲速飛行試驗(yàn)中通過(guò)“嵌入式”或“內(nèi)置式”測(cè)量裝置進(jìn)行了飛行器表面熱流測(cè)試,獲取了寶貴的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù),但大多針對(duì)鈍體再入短時(shí)大熱流或長(zhǎng)時(shí)間小熱流情況。近二十年來(lái),隨著各種新型高超聲速飛行器研發(fā)熱潮的到來(lái),熱防護(hù)技術(shù)與能力得到了顯著提升,防熱材料與服役環(huán)境的耦合作用也愈發(fā)受到重視。在更為苛刻的服役環(huán)境下如何精確、可靠地獲取的飛行氣動(dòng)熱數(shù)據(jù),推測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域提出了急迫需求和嚴(yán)峻挑戰(zhàn),需要在測(cè)試方法、耐環(huán)境能力和熱結(jié)構(gòu)匹配性等一系列科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題上取得突破。本文從高超聲速飛行器研發(fā)需求出發(fā),以獲取真實(shí)飛行的氣動(dòng)載荷為目標(biāo),在通過(guò)“嵌入式”(Add-on)手段測(cè)量“冷壁熱流”技術(shù)途徑的基礎(chǔ)上,發(fā)展了可適應(yīng)更寬服役范圍的熱流密度測(cè)量方法及熱流辨識(shí)反問(wèn)題計(jì)算方法。結(jié)合典型飛行條件,設(shè)計(jì)并研制了飛行試驗(yàn)用熱流測(cè)量裝置,通過(guò)試驗(yàn)確定了接觸參數(shù),利用相變機(jī)制預(yù)防結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)過(guò)載;搭建了兩種基于誤差傳遞體系的校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)試驗(yàn)校準(zhǔn)試驗(yàn)和燃?xì)馍淞骶C合試驗(yàn),驗(yàn)證了測(cè)試裝置的熱流辨識(shí)有效性與結(jié)構(gòu)可靠性。全文具體內(nèi)容如下:(1)利用變截面圓柱作為測(cè)量裝置的基本外形,將其劃分為一維傳熱區(qū)域和熱沉區(qū)域,以一維傳熱區(qū)域不同位置的兩處溫度響應(yīng)分別作為目標(biāo)函數(shù)變量和邊界條件,開(kāi)展了基于Levenberg-Marquardt方法的非穩(wěn)態(tài)熱流密度參數(shù)辨識(shí)方法研究。通過(guò)多種金屬物性參數(shù)輸入與多組熱流密度-時(shí)間波形載荷下的仿真試驗(yàn),證明了Levenberg-Marquardt方法對(duì)一維傳熱問(wèn)題的辨識(shí)有效性,并優(yōu)選出無(wú)氧銅作為敏感材料;為解決表面溫度非均勻產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)間熱傳導(dǎo)及其引起的一維模型分析誤差,設(shè)計(jì)了由尖楔式護(hù)圈組成的多層過(guò)渡式隔阻方案,在一維傳熱辨識(shí)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上,利用仿真試驗(yàn)兩測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù),采用DS(Downhill-Simplex)方法對(duì)整體模型進(jìn)行表面熱流密度尋優(yōu)計(jì)算,藉此修正結(jié)構(gòu)間熱傳導(dǎo)引起的干擾。提出了增加溫度測(cè)點(diǎn)(增加目標(biāo)函數(shù)約束)、增加隔阻層(縮小優(yōu)化參數(shù)上下限范圍)兩種改進(jìn)方案,通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了有效性。(2)在上述測(cè)試原理和方法的基礎(chǔ)上,探索了給定高超聲速飛行軌跡與幾何外形、熱防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)條件下熱流測(cè)量裝置的通用性設(shè)計(jì)方法。分析了對(duì)流條件下壁面溫度對(duì)傳熱過(guò)程及熱流辨識(shí)反問(wèn)題計(jì)算的影響。以apollo再入飛行軌跡與平板外形為分析背景,基于“參考焓”方法計(jì)算來(lái)流參數(shù),構(gòu)建了基于有限元擴(kuò)展應(yīng)用的“壁溫-對(duì)流熱流密度”耦合方法,并將耦合計(jì)算加入測(cè)量裝置設(shè)計(jì)的熱分析過(guò)程及熱流辨識(shí)的修正計(jì)算過(guò)程。分析了由于熱流測(cè)量裝置嵌入而造成的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)“熱短路”效應(yīng)。(3)為解決測(cè)量裝置嵌入防熱層所引起的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)“熱短路”效應(yīng),將低熔點(diǎn)金屬引入測(cè)量裝置設(shè)計(jì),利用材料相變潛熱的蓄能機(jī)制,使其在熔點(diǎn)附近維持較長(zhǎng)時(shí)間低溫進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的能量流動(dòng)控制。使用泡沫銅作為導(dǎo)熱增強(qiáng)骨架實(shí)現(xiàn)相變金屬的改性,通過(guò)數(shù)值仿真分析,給出了含導(dǎo)熱增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的相變材料等效熱物性并經(jīng)由試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,相同載荷條件下,測(cè)量裝置使用相變材料相較于增加熱沉體質(zhì)量的方案體積比為0.49:1,重量比為0.46:1:具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)。(4)為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)熱流密度辨識(shí)精度,根據(jù)誤差體系的傳遞原則,將經(jīng)過(guò)絕對(duì)校準(zhǔn)的戈登量熱計(jì)作為參考標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)展傳遞式校準(zhǔn)設(shè)備研制。設(shè)計(jì)了試驗(yàn)量級(jí)~100kw/m2的輻射式校準(zhǔn)設(shè)備與試驗(yàn)量級(jí)~270kw/m2的對(duì)流式校準(zhǔn)設(shè)備。輻射式校準(zhǔn)設(shè)備核心是含橢球形聚光結(jié)構(gòu)的鎢鹵燈裝置,通過(guò)光線追跡分析、戈登量熱計(jì)實(shí)測(cè)評(píng)估了設(shè)備輸出至參考表面熱流的均勻性與穩(wěn)定性。對(duì)流校準(zhǔn)設(shè)備核心是含分級(jí)加熱器、可控風(fēng)源及噴管結(jié)構(gòu)的高溫?zé)犸L(fēng)設(shè)備,分析模擬了繞平頭模型的亞聲速流動(dòng)及傳熱過(guò)程,通過(guò)試驗(yàn)手段驗(yàn)證了流場(chǎng)品質(zhì)及平頭模型表面熱流密度的均勻性與穩(wěn)定性。對(duì)設(shè)備開(kāi)展不確定性分析得出:取擴(kuò)展因子k=2,輻射式設(shè)備三個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的擴(kuò)展合成相對(duì)不確定度分別為7.98%,6.85%,6.44%,對(duì)流設(shè)備三個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的擴(kuò)展合成不確定度分別為11.46%,8.09%,6.95%。(5)制備了熱流密度測(cè)量裝置試件,通過(guò)相似外形試驗(yàn)件給出了接觸性能估算值。對(duì)測(cè)量裝置開(kāi)展了輻射校準(zhǔn)與對(duì)流校準(zhǔn),以戈登量熱計(jì)數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了誤差分析與修正。使用改進(jìn)型矩形噴嘴的燃?xì)馍淞髟O(shè)備對(duì)含測(cè)量裝置的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行了綜合試驗(yàn),驗(yàn)證了整體結(jié)構(gòu)下熱流密度辨識(shí)的有效性。制備了含相變材料測(cè)量裝置試件,并通過(guò)輻射校準(zhǔn)裝置對(duì)其熱響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)表征與分析。
【關(guān)鍵詞】：高超聲速飛行器 熱流密度測(cè)量 飛行試驗(yàn)測(cè)量裝置 反問(wèn)題 校準(zhǔn)技術(shù) 試驗(yàn)評(píng)價(jià)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V217
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 第1章 緒論16-41
• 1.1 研究背景及意義16-17
• 1.2 高超聲速飛行器氣動(dòng)熱與熱防護(hù)17-19
• 1.2.1 高超聲速流動(dòng)特性17-18
• 1.2.2 熱防護(hù)系統(tǒng)及其與氣動(dòng)加熱的耦合作用18-19
• 1.3 國(guó)外高超聲速飛行熱流密度測(cè)量技術(shù)發(fā)展歷史19-30
• 1.3.1 X-15/ X-17/“Re-rentry-F”計(jì)劃19-22
• 1.3.2“FIRE”計(jì)劃與“Apollo”計(jì)劃22-24
• 1.3.3“HYFLEX”計(jì)劃、“ARD”計(jì)劃與MSL-MISP24-27
• 1.3.4 航天飛機(jī)與X-43A飛行器27-28
• 1.3.5“RAFLEX”裝置與“SHEFEX”計(jì)劃28-30
• 1.4 高超聲速飛行熱流密度測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)30-39
• 1.4.1 熱流密度測(cè)量基本方案30-34
• 1.4.2 熱流密度辨識(shí)的反問(wèn)題方法34-36
• 1.4.3 高冷壁假設(shè)與“冷壁熱流”36-39
• 1.5 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀39-40
• 1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容40-41
• 第2章 熱流密度測(cè)量的理論基礎(chǔ)與算法實(shí)現(xiàn)41-74
• 2.1 引言41
• 2.2 L-M方法多參數(shù)辨識(shí)與熱流密度反問(wèn)題計(jì)算41-46
• 2.2.1 L-M熱流密度辨識(shí)算法41-45
• 2.2.2 一維控制體積的構(gòu)造45-46
• 2.3 L-M方法進(jìn)行一維反問(wèn)題計(jì)算的仿真試驗(yàn)46-59
• 2.3.1 仿真試驗(yàn)有限元模型47-51
• 2.3.2 表面熱流密度辨識(shí)算法實(shí)現(xiàn)51-52
• 2.3.3 計(jì)算結(jié)果與分析52-59
• 2.4 非一維條件下測(cè)量方案的熱匹配設(shè)計(jì)59-64
• 2.4.1 結(jié)構(gòu)間徑向傳導(dǎo)的隔阻方法59-62
• 2.4.2 多層過(guò)渡式隔阻設(shè)計(jì)62-64
• 2.5 結(jié)構(gòu)間傳導(dǎo)影響的修正算法及仿真試驗(yàn)64-72
• 2.5.1 優(yōu)化策略64-67
• 2.5.2 修正計(jì)算結(jié)果67-68
• 2.5.3 改進(jìn)設(shè)計(jì)68-71
• 2.5.4 結(jié)果討論71-72
• 2.6 本章小結(jié)72-74
• 第3章 飛行試驗(yàn)熱流密度測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與研制74-107
• 3.1 引言74
• 3.2 飛行試驗(yàn)典型環(huán)境與熱流測(cè)量設(shè)計(jì)分析74-85
• 3.2.1 典型的飛行試驗(yàn)彈道與工況74-76
• 3.2.2 氣動(dòng)熱-結(jié)構(gòu)響應(yīng)耦合計(jì)算76-82
• 3.2.3 測(cè)量裝置及整體結(jié)構(gòu)熱分析82-85
• 3.3 熱流密度測(cè)量裝置的制備與接觸性能評(píng)估85-96
• 3.3.1 熱流密度測(cè)量裝置制備85-86
• 3.3.2 平頭圓柱水冷套86-87
• 3.3.3 熱流測(cè)量接觸參數(shù)的試驗(yàn)評(píng)估87-96
• 3.4 金屬相變材料應(yīng)用于熱流密度測(cè)量96-106
• 3.4.1 金屬相變材料96-98
• 3.4.2 相變材料的等效物性試驗(yàn)驗(yàn)證98-101
• 3.4.3 引入相變材料的測(cè)量裝置設(shè)計(jì)101-104
• 3.4.4 含相變熱沉測(cè)量裝置熱流辨識(shí)仿真驗(yàn)證104-106
• 3.5 本章小結(jié)106-107
• 第4章 熱流密度校準(zhǔn)試驗(yàn)方法研究107-136
• 4.1 引言107
• 4.2 熱流密度的校準(zhǔn)試驗(yàn)方法107-113
• 4.2.1 絕對(duì)校準(zhǔn)法107-110
• 4.2.2 傳遞校準(zhǔn)法110-112
• 4.2.3 校準(zhǔn)試驗(yàn)方法綜合評(píng)價(jià)112-113
• 4.3 輻射式校準(zhǔn)設(shè)備的研制113-120
• 4.3.1 鎢鹵燈加熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)113-115
• 4.3.2 輻射熱流密度均勻性分析115-119
• 4.3.3 輻射熱流密度穩(wěn)定性分析119-120
• 4.4 高溫空氣對(duì)流校準(zhǔn)設(shè)備的研制120-131
• 4.4.1 60kW熱風(fēng)機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的研制121-122
• 4.4.2 流場(chǎng)品質(zhì)校驗(yàn)122-126
• 4.4.3 流場(chǎng)繞流模型表面熱流密度均勻性測(cè)試126-129
• 4.4.4 流場(chǎng)繞流模型表面熱流密度穩(wěn)定性測(cè)試129-131
• 4.5 熱流密度校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量不確定度分析131-134
• 4.5.1 輻射式熱流校準(zhǔn)設(shè)備輸出不確定度分析132-133
• 4.5.2 高溫空氣對(duì)流校準(zhǔn)設(shè)備輸出不確定度分析133-134
• 4.6 本章小結(jié)134-136
• 第5章 測(cè)量裝置熱流密度校準(zhǔn)試驗(yàn)與綜合試驗(yàn)136-158
• 5.1 引言136
• 5.2 輻射校準(zhǔn)試驗(yàn)136-140
• 5.2.1 試驗(yàn)狀態(tài)136-137
• 5.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析137-140
• 5.3 對(duì)流校準(zhǔn)試驗(yàn)140-145
• 5.3.1 試驗(yàn)狀態(tài)140-141
• 5.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析141-145
• 5.4 含測(cè)量裝置的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)燃?xì)馍淞骶C合試驗(yàn)145-153
• 5.4.1 氧氣-丙烷燃?xì)庠囼?yàn)系統(tǒng)145
• 5.4.2 矩形噴嘴設(shè)計(jì)145-147
• 5.4.3 試驗(yàn)狀態(tài)147-149
• 5.4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析149-153
• 5.5 含金屬相變材料熱沉的測(cè)量裝置試驗(yàn)評(píng)價(jià)153-156
• 5.5.1 含金屬相變材料的測(cè)量裝置制備153-155
• 5.5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析155-156
• 5.6 本章小結(jié)156-158
• 結(jié)論158-162
• 參考文獻(xiàn)162-172
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果172-174
• 致謝174-175
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷175

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9 張根p，

本文編號(hào)：786269