浅谈航空飞行器中的热环境和热结构问题1100200330陈鸿威

HarbinInstituteofTechnology热环境控制大作业题目：浅谈航空飞行器中的热环境和热结构问题院系：能源学院班级：1002104姓名：陈鸿威学号：1100200330哈尔滨工业大学浅谈航空飞行器中的热环境和热结构问题1100200330陈鸿威摘要：为了对超高空低速飞行器的热环境特性进行分析，建立了超高空低速飞行器的热环境分析模型。通过数值模拟研究了热辐射和对流对超高空低速飞行器热环境特性的影响。研究结果表明,飞行器表面吸收辐射比越大,气流速度对超高空低速飞行器热效应的影响越大；飞行器表面辐射物性的变化可使飞行器蒙皮温度改变70K。热辐射和对流换热均对飞行器的热特性有重要影响，飞行器蒙皮温度存在非均匀性并随时间变化。高超声速飞行器热结构设计分析的关键技术及其发展趋势：（1）高超声速飞行器瞬态表面温度和气动加热率计算技术；（2）流-热-固多物理场耦合机理模型技术；（3）流-热-固多场耦合计算分析技术；（4）高超声速飞行器热防护结构设计技术。关键词：航空飞行器，热结构，热环境控制，热辐射，超音速飞行等。超高空低速飞行器主要靠浮力提供升力,可长期驻留高空或低速飞行,在情报侦察、预警、导航、通信中继及大气环境监测等领域有广泛的应用前景。高速航空器(如飞机)飞行速度很大,高速对流换热是影响其热特性的主要因素,而外部热辐射的作用很小。近地轨道航天器的主要热环境因素是太阳辐射、地球对太阳的反射和地球红外辐射,几乎没有外部对流换热。超高空低速飞行器主要有飞艇和高空气球两大类。其环境热效应是对流和热辐射综合作用的结果。大气物性和温度等参数随高度大幅度变化。太阳热辐射昼夜变化。从而影响超高空低速飞行器蒙皮和气囊中气体的温度。超高空低速飞行器蒙皮的辐射物性影响其吸收的外部辐射和本身辐射。超高空气流速度变化影响飞行器外部的对流换热。研究超高空低速飞行器的热环境特性对超高空低速飞行器的研制有重要意义。国内外一些学者对超高空低速飞行器的热环境特性进行了研究。物理数学模型：超高空低速飞行器的热环境影响因素包括外表面的红外辐射、太阳直接辐射、地球反照、地-气红外辐射和对流换热,如图所示：超高空低速飞行器的热环境特性与高速航空器、航天器都有显著区别。对流换热与热辐射均对飞行器的热环境特性产生很大影响；飞行器表面吸收-辐射比一定时。随着吸收率和发射率的增加。热流比qcv/qr减小。对流散热的比例减小;蒙皮吸收-辐射比越大,气流速度对超高空低速飞行器热效应的影响越大,环境气流速度变化可使飞行器表面温度改变近90K;外部辐射热环境的变化可使飞行器昼夜温度变化90K以上。高超声速飞行器是航空航天的一个重要发展方向，它的发展将对世界安全、宇宙空间资源开发及相关学科产生重大影响。高超声速飞行器技术的研究过程是促进科学技术总体水平发展进步的过程，对于国家安全利益而言，发展性能优越的高超声速武器愈加必要，各航天军事大国已竞相把高超声速技术作为重点发展的国家战略目标。高超声速技术是许多航空航天新技术的集合，其主要代表是空天飞机和临近空间飞行器。空天飞机（Aero-SpacePlane）是指既能在大气层内和轨道上飞行，又能在普通跑道水平起降的飞行器。空天飞机代表着21世纪的高技术，是航空航天技术巧妙的结合。空天飞机的成功开辟了航空航天的新时代，给世界带来深刻和长远的影响。美国于上世纪60年代就集中了科学界、工业界和军方的优秀人材，执行国家的空天飞机（NASP）计划。NASP计划的目标是通过研制可在地球低轨道飞行、象正常飞机一样在跑道上起降的高超声速技术试验机X-30，掌握发展空天飞机的主要技术，然后研制高超声速军用机、民用机和天地往返运载机，飞行速度将达到Ma5～25。上世纪80年代兴起的空天飞机计划是以解决天地往返运输、军用跨大气层飞行器和民用高超声速运输机为背景的。美国NASA也于几十年前就积极参与高超声速飞行系统热结构技术应用研发。X-37飞行器是NASA的第一个X-飞行器，其目的是演示验证在轨飞行的前沿技术。这个空天机动飞行器的原型是由NASA、美国空军和波音公司联合资助，其设计目标是要达到在改进其可靠性的前提下，将进入太空的成本从10000美元/lb降低到1000美元/lb。X-37是能运载有效载荷，执行在轨任务或者在太空指定目标点集合，然后自主通过常规跑道着陆返回地球的无人空天飞机。采用热结构的飞行器有X-43A，X-37和航天飞机。这些横向大气和大气进入飞行系统的一体化热结构系统与寄生于热或冷子结构的热结构系统相比是轻质的而且低成本维护的。热结构的发展需要对于极端环境下材料性能、边界条件，载荷交互作用、结构连接件性能和工作温度范围1500~3000℃内的集成结构系统的热与力学性能等的彻底理解。我国对高超声速飞行器研究与发展尚处于初级阶段，尤其是临近空间飞行器热结构、热防护结构设计分析与验证技术储备严重不足，必须加大研究力度。先进的高（低）温高比强度材料和高（低）温结构新概念、设计和分析系统工具是实现高超声速飞行的基础。流-热-固耦合问题的理论模型、数值方法和相应的试验技术无疑是高超声速飞行器研发中部最为复杂和重要的问题。耐热与热防结构设计的关键技术之一就是气动加热引起的多物理场耦合计算仿真分析技术。要发展高超声速飞行器技术，应首先突破以下几项关键技术：（1）高超声速飞行器瞬态表面温度和气动加热率计算技术；（2）流-热-固多物理场耦合机理模型技术；（3）流-热-固多场耦合计算分析技术；（4）结构热管理技术；（5）防热系统防热与结构一体化设计技术；（6）防热系统的地面试验技术；（7）防热系统飞行演示试验技术。高超声速飞行器的研究是一项复杂的系统工程，美国在执行NASP计划过程中发展了高超声速热气动学和相应的计算分析软件系统。这些软件系统成为美国研制高超声速飞行器的最基本的设计手段，但是在高超声速气动热力学方面还存在一些关键问题有待解决，如各种耦合作用，层流与湍流之间的传捩，试验技术，大规模的数值模拟等。我国应充分借鉴国外同类技术的研制经验与教训，结合国情，多领域、多部门联合攻关，争取早日研制出适用于工程应用的计算分析软件系统，为实现我国的高超声速飞行提供基础技术手段。参考文献：《超高低空速飞行器的热环境特性》（李德福，夏新林，戴贵龙），《高超声速飞行器热结构设计分析》（邱春图），《临近空间飞行器管理及热设计方法》（马伟）