当高超声速飞行器在大气层内高速飞行时,飞行器周围的气体受到强烈的压缩和剧烈的摩擦,则飞行器巨大的动能转化为热能,飞行器周围将形成高温高速气体流场高温气体和飞行器表面之间产生数千甚至上万摄氏度的温差,高温气体的热能以对流辐射和热传导三种方式传到飞行器表面,对飞行器表面进行非常严重地气动加热,如果不采取行之有效的热防护手段,将会导致飞行器部件烧坏,甚至造成飞行器解体坠毁等严重的飞行事故,因此热防护是高超声速飞行器的关键技术之一
为了减少飞行器承受的峰值热流,降低防热难度,提高防热系统可靠性,通常对大气层外飞行的航天器,在气动外形上采取钝形设计但即使如此,受热后航天器表面的温度仍将高达900℃ 以上这个温度已远远超过一般的结构材料,如铝合金钛合金等所能承受的范围,因此航天器必须采用特殊的防热结构,以防止航天器在返回地面过程中发生过热和烧毁的情况,保证舱内航天员的安全和设备的正常工作,这是其他航天器防热结构所没有的重要功能,也是防热结构的主要特征另外,防热结构也起到了保持航天器外形承受相关载荷等作用
高超声速飞行器热防护系统非常复杂,飞行器表面不同部位的热环境差异很大,例如,头部翼前缘区域的温度比机身后部大面积区域高几倍甚至几十倍,所以针对不同区域,需要设计不同的热防护结构
▲ 航天飞机表面各处的最高辐射平衡温度(最大热流密度)
为了开展对飞行器热防护材料性能的研究,特别是针对某一具体高超声速飞行器特殊的飞行热环境开展防热材料的研制和开发,需要对材料研制各阶段的试件进行气动加热考核,分析其在高温气流加热条件下的抗冲刷抗热震隔热等性能,通常需要开展大量多批次的试验验证工作这为研制新型防热材料提升工艺可靠性降低成本提高生产效率等提供了技术支撑
一百多年前,德国人发现两个正负电极之间放电,可以产生大量的焦耳热,把气体加热到几千摄氏度甚至上万摄氏度,于是电弧加热器由此而生以高温电弧为加热源对空气进行加热,形成高温高速的气流,来模拟高超声速飞行器在飞行过程中的气动加热环境,对飞行器的热防护材料或结构进行地面试验研究,是高超声速飞行器热防护研究及设计的重要技术手段
高超声速飞行器热防护试验硏究是一项非常复杂、难度极大的科学硏究,我国从20世纪五六十年代开始针对导弹、返回式卫星等高超声速飞行器的热防护开展研究工作,经过了几代航天人呕心沥血地艰苦攻关,到目前已经发展了具有世界先进水平的试验体系和试验技术。
《高超声速飞行器热防护电弧风洞气动加热试验技术》(陈连忠等著. 北京:科学出版社,2020.7)一书主要是根据中国航天空气动力技术研究院的高超声速飞行器热防护试验团队多年的工作整理而来, 对我国目前电弧加热试验设施的能力试验技术和测试技术等方面进行系统介绍,希望能够为参与相关研究的技术人员和高校科研院所的研究生提供学习参考
高超声速飞行器热防护电弧风洞试验的输入,就是高超声速飞行器的热环境参数,而不同类型的高超声速飞行器,其气动热环境参数千差万别,对于某一类型的飞行器,其在大气层内飞行速度高度姿态的变化,也反映在其气动热环境参数的巨大差异上为了满足飞行任务的需求,需要针对飞行器的气动热环境设计热防护系统电弧加热试验设施的主要任务,就是根据不同飞行器热防护研究的需求,在地面“创造”出相应的气动加热环境,对热防护材料热结构进行考核或验证
从20 世纪60 年代开始,我国开始发展电弧加热试验装置,经过几十年的发展,不仅自主研发了管状电弧加热器分段式电弧加热器叠片式电弧加热器,还研发了交流电弧加热器超高焓电弧加热器等多个类型的大功率加热设施;电弧功率从一开始的几十千瓦,发展到超过50 000 kW;电弧风洞的喷管尺度也超过了1 000 mm与之相适应的是,我国还发展了大量的试验技术和高温测试技术,包括端头外形烧蚀技术包罩试验技术及后来发展的多种特种试验技术这些试验技术在我国导弹返回式卫星载人飞船等高超声速飞行器的研制中发挥了重要作用
《高超声速飞行器热防护电弧风洞气动加热试验技术》对我国电弧加热试验设施进行了系统介绍,对于电弧加热试验设施的后续发展具有很强的指导作用,对于参与或从事高超声速飞行器热防护试验研究的科技人员具有很高的参考价值
2019 年10 月
本文摘编自《高超声速飞行器热防护电弧风洞气动加热试验技术》(陈连忠等著. 北京:科学出版社,2020.7)一书“前言”“序”“第1 章 热环境及热防护系统概述”,有删减,标题为编者所加。
高超声速出版工程
“十三五”国家重点出版物出版规划项目·重大出版工程
国家出版基金项目
ISBN 978-7-03-065300-0
责任编辑:徐杨峰
高超声速飞行器在大气层内高速飞行时,飞行器周围的气体受到强烈的压缩和剧烈的摩擦,飞行器巨大的动能转化为热能,对飞行器产生极其严重的气动加热,因此热防护是高超声速飞行器的关键技术之一
本书的主要目的是对我国目前电弧加热试验设施的能力和试验技术测试技术等方面进行系统的介绍,本书分为8 个章节:第1 章主要介绍电弧加热试验设施服务的对象———高超声速飞行器的飞行热环境以及热防护系统;第2 章介绍了电弧气动加热试验设施;第3 章对高超声速飞行器热防护试验需要测量的参数及其测试方法进行了介绍;第4~6 章分别对飞行器端头电弧加热试验技术飞行器典型部位烧蚀试验技术和吸气式高超声速飞行器热防护试验技术进行了介绍;第7 章介绍了最近几年发展的新型热防护技术;第8 章简要介绍了高频感应加热燃气流加热等其他试验设施另外本书还收录几篇常用的电弧加热试验标准
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(本文编辑:刘四旦)
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