热防护材料热环境与烧蚀热响应辨识方法研究

发布时间：2020-06-20 20:25

【摘要】：准确获得高速飞行气动热环境以及防热材料在热环境中的性能表现,对于热防护系统(Thermal protection system,TPS)的设计和优化具有极其重要的意义。获取烧蚀防热系统热环境参数的一种可行方案是采用内埋式传感器测量材料内部温度,并根据测试温度辨识材料表面的热流密度。然而,防热材料烧蚀行为高度非线性和不确定性,以及反问题的不适定性,对烧蚀材料的热环境和烧蚀行为的准确辨识带来了极大挑战。本文围绕“热防护系统表面气动热环境测试”这一关键问题,重点开展了“防热材料内部温度测试方法”和“热解型烧蚀材料表面热流辨识与烧蚀热响应反演”工作,建立了一种根据地面/飞行测试数据辨识烧蚀材料参数和材料所承受气动热,并反演热解型防热材料烧蚀过程的方法。本文具体研究内容如下:(1)针对热解型TPS材料的烧蚀特征,建立了其烧蚀过程的预报模型,并提出了合理的烧蚀反问题分析方法。分析蜂窝增强低密度防热材料(Honeycomb reinforced lightweight ablator,HRLA)的烧蚀特征,建立了传质、传热和化学反应多场耦合烧蚀过程的数学模型;提出了用于热传导和材料烧蚀过程的反问题分析方法,并分别对以参数估计为目标的反问题和以边界条件为目标的反问题给出求解算法;为解决烧蚀反问题的误差敏感性和高度非线性问题,提出了对输入数据降噪和待求解变量的合理范围进行限定的处理方法。(2)开展了基于嵌入式测量装置的非烧蚀材料的表面热流测试方法的研究,验证了反问题分析方法用于求解热传导反问题的适用性。设计了金属材质的嵌入式热流测量装置,获取装置内部的温度响应,该装置采用缝隙隔热的方式有效改善了防热材料和嵌入装置之间的热失配现象;针对嵌入式测量方法,提供了基于有限差分的高效热流辨识算法,降低了非烧蚀材料表面热流辨识的计算成本;制备并在风洞试验环境中测试了嵌入式热流测量装置,基于风洞试验数据和热流辨识算法,辨识了测量装置的表面热流密度,将辨识热流与风洞标定热流对比分析,表明热流辨识算法和嵌入式表面热流测试方法的可行性。(3)针对烧蚀型热防护材料温度场易被干扰、温度测量精度差的问题,进行了烧蚀材料分层温度测量方法研究,通过热电偶布局设计有效降低了敏感元件对被测材料的温度干扰,提高了热防护材料内部温度的测量精度。基于该测量方法,利用高频等离子风洞提供的高温流场,设计和实施了HRLA材料烧蚀试验。对HRLA材料的烧蚀行为的分析结果表明,材料受热后内部分化成碳化层、热解层和原始材料层,其中热解层在热解气体压力作用下产生裂隙;材料的失重和表面后退量表现出与表面温度和表面热流正相关,与来流焓值负相关的关系;当热流高于1300 k W/m2,或热流高于800 k W/m2且焓值低于15.4 MJ/kg时,表面产生烧蚀后退;在热流低于500 k W/m2,或热流低于1000 k W/m2且来流焓值超过17.6 MJ/kg的热环境中,表面未发生烧蚀后退,HRLA材料表现出体积烧蚀行为。试验成功获取HRLA材料在不同热环境中的内部温度信息,为后续材料参数辨识和热流辨识提供依据。(4)开展了HRLA材料烧蚀热响应(内部温度、表面温度和碳化深度)对材料性能参数和热环境参数的敏感性分析,确定了主要影响参数为原始材料密度、碳化材料密度、碳化材料热导率、热解活化能和冷壁热流等参数;为提高烧蚀模型的预报精度,通过实验测试和反问题分析,对主要影响参数进行了测量和辨识:通过风洞试验数据分析辨识了碳化材料热导率,开展原始材料加热试验辨识原始材料比热,通过热失重试验数据分析确定了热解动力学参数。HRLA材料参数的辨识计算过程中验证了烧蚀问题参数辨识算法的可行性。(5)开展了数值仿真试验对烧蚀反问题的函数辨识算法进行考核验证,以辨识热解型烧蚀材料表面热流为目标,量化分析了测点位置和材料性能参数误差等因素对热流辨识的影响规律;基于风洞试验测量的温度信息开展了热流辨识与误差分析,辨识结果与实验标定热流进行对比,证明了该方法用于热解型烧蚀材料表面热流辨识的可行性;对高焓低热流环境中的HRLA材料的烧蚀行为,包括热解程度、热解速率、孔隙压力、热解气体质量流率、表面质量引射速率等,进行了反演,并将材料的质量损失和解热程度分布的反演结果与风洞试验结果进行了对比验证,取得良好的一致性;基于反演结果量化分析了HRLA材料的防热机制,结果表明在高焓低热流环境下,HRLA的主要热防护机制为热解反应伴随的化学吸热、质量引射和热阻塞效应以及材料表面热辐射。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V445.1;V259
【图文】：

返回舱

非烧蚀材料进行研究的，而针对烧蚀材料的烧蚀性能研究极度或热流测试数据的传热反问题的数学模型的理论或应用研代开始。其中 Tikhonov 等[108]提出的正则化方法被广泛应用热流辨识；Beck 等采用顺序函数法估计固体表面热流[109]ry 等[68, 94]采用目标函数优化算法辨识热边界。Marcelo[11求解 IHCP 问题，认为反问题的求解对象可以是若干个参数估计的函数。如果这个函数的形式是已知的，则也可退化成的 FOTON-M2 任务的返回舱上装有称为′KERAMIKμ的实验国宇航中心（German Aerospace Center，DLR）位于斯图加特心开发[71]。′KERAMIKμ表面直径 340mm，嵌入在返回舱的验着重于 TPS 系统设计的研究。它包括两块带加强筋的面板三个具有特殊连接方式的支柱上，所有的组件都是 C/C-SiC 1-3 所示。两个面板中间和周围特意留有直线和环形的缝隙密封性能。其中一块面板上涂有不同组分的氧化物涂层，用析。

曲线,温度测量,壁面热流,温度

图 1-5 ′KERAMIKμ装置温度测量数据与温度随时间变化率曲线(温度峰值附近)Fig.1-5 Temperature measurements by KERAMIK and temperature-time derivetive curves(around the peak temperature)通过建立′KERAMIKμ的一维传热模型，并进行反问题分析，获得了材料壁面的热流变化，建立的有限元模型和获取的壁面热流历程如图 1-6 所示。获得的热流数据很好的解释了以上温度变化的波动。图 1-6 建立的有限元模型和获取的壁面热流历程

【参考文献】