[优秀论文]高超声速飞行器气动加热与热防护系统性能的仿真与试验研究.pdf

上海交通大学
硕士学位论文
高超声速飞行器气动加热与热防护系统性能的仿真与试验研究
姓名:郑京良
申请学位级别:硕士
专业:航空宇航推进理论与工程
指导教师:余文胜;范绪箕
20090216
上海交通大学硕士学位论文摘要
高超声速飞行器气动加热与热防护系统性能的仿真与试验研究
摘要
高超声速飞行器是航空航天的一个重要发展方向,在未来国防安全中起着重要作用。
这类飞行器都要面临严酷的飞行热环境,进行气动加热与热防护结构设计是高超声速飞
行器设计与制造的关键技术之一。由于高速飞行器的气动加热与热防护系统的热响应是
耦合的,通过数值方法进行气动热与热结构的耦合分析,需要对飞行器进行整体建模分
析,涉及高温空气的化学非平衡边界层传热,湍流模型和复杂结构传热模型,需要耗费
大量的计算机资源和时间;采用风洞进行试验且不说耗费惊人的人力和财力,仅建造能
模拟马赫数 10 以上的飞行条件的风洞就是一个巨大的挑战。考虑到我们研究的重点是
气动加热的热环境及飞行器结构的热响应,至于通过何种方式实现这种热环境并不重
要,只要使进入飞行器结构的热能与真实飞行时的热能相同,我们就能再现飞行器结构
的热响应。因此,通过红外辐射模拟气动加热的热流量进行热环境模拟是一种技术难度
低易于实现的方法,而且试验台可以根据试验对象的外形灵活布置。本文采用工程算法
作为试验的控制程序,将试验测量到的热防护结构的热响应参数代入控制程序中进行气
动加热计算,通过红外辐射进行热流加载,实现气动加热与热响应的耦合分析。
本文主要是为了进行高超声速飞行器再入的热环境和结构热响应模拟试验展开的,目的
是设计出能准确计算和模拟出气动加热环境的实验平台和合理的热防护系统模型,为高
超声速飞行器的设计提供设计依据和试验手段。为此,本文进行了以下研究:
(1)研究飞行器的飞行环境和气动热的工程算法——进行气动热计算
(2)研究热防护系统的隔热机理和隔热材料——设计热防护系统
(3)研究热工测量技术——设计测试系统和进行试验数据的高速采集
(4)研究模糊 PID 控制技术——进行热流加载的模糊控制,提高热流加载设备的响应
速率和加载精度
(5)开发试验系统的测控程序——飞行器轨道数据的自动加载,瞬态气动加热计算,
热流的智能加载、数据高速测量和处理。
本文研究能够为高超声速飞行器提供服役环境下的材料导热系数测试和气动加热与
结构热响应耦合分析的试验平台,进行飞行器热环境的预测和热防护结构的优化,提高
飞行器初步设计的效率,丰富高超声速飞行器设计的手段。

关键词:高超声速飞行器,气动加热,模糊 PID,热工测控,热防护系统,
瞬态热试验
I
上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT
Simulation and Test of Aeroheating and Thermal Response of TPS for
Hypersonic Vehicle

ABSTRACT
Hypersonic vehicle is an important direction of development of aerospace
technology,which will play an important role in national defense and security in
the future. Such aircrafts suffer extremely thermal environment during flight, so
the forecast of aerodynamic heating and thermal protection system (TPS) design
is one of the key technologies of hypersonic vehicle design and
aeroheating of the hypersonic vehicle is coupled with thermal response of the
TPS. Using numerical method to analyse the coupled problem needs building
simulation model of hypersonic vehicle. it involves high-temperature chemical
non-equilibrium boundary layer, turbulence model and the heat tr