高超声速飞行器烧蚀防热理论与应用

目录
丛书序
序
前言
第1章 概论 1
1.1 引言 1
1.2 高超声速流动和气动加热概念 8
1.2.1 气动加热与飞行速度的关系 9
1.2.2 飞行器表面辐射平衡温度 13
1.3 高超声速飞行器的热防护概念 14
1.3.1 被动防热方案 15
1.3.2 半被动防热方案 16
1.3.3 主动防热方案 16
1.4 烧蚀基本概念 17
1.4.1 烧蚀的定义 17
1.4.2 有效烧蚀热(焓) 17
1.4.3 烧蚀量的简单估算 18
1.5 烧蚀材料及分类 21
1.5.1 烧蚀材料的构成及类型 21
1.5.2 典型烧蚀材料及用途 23
1.5.3 烧蚀材料在不同任务类型飞行器中使用情况 24
1.6 材料烧蚀机理和相关物理问题 25
1.6.1 烧蚀表面质量平衡 26
1.6.2 烧蚀表面能量平衡方程 30
1.7 烧蚀对飞行器气动特性的影响 31
1.8 影响烧蚀的主要因素 32
1.9 烧蚀的新问题与新概念 35
参考文献 36
第2章 高温边界层传热基础知识 40
2.1 引言 40
2.2 气动加热的一些基本知识 40
2.2.1 传热的基本形式 41
2.2.2 传热系数 44
2.2.3 恢复温度和恢复焓 45
2.2.4 参考温度和参考焓 47
2.2.5 边界层转捩 49
2.2.6 不同流态的气动加热 50
2.2.7 高温气体热力学和热化学基本知识 52
2.3 多组元反应气体流动的基本方程 56
2.4 边界层方程 60
2.5 流动的化学状态 66
2.6 壁面催化反应 67
2.7 边界层的近似比拟关系 69
2.7.1 边界层质量扩散与传热的比拟关系 69
2.7.2 边界层扩散与速度的雷诺比拟关系 70
2.8 可压缩边界层方程的相似解 71
2.8.1 可压缩边界层方程的相似变换 71
2.8.2 离解空气的二组元简化 73
2.8.3 平衡边界层方程的驻点解 75
2.8.4 零攻角层流边界层热流 82
2.8.5 零攻角湍流边界层热流 83
2.8.6 转捩区热流 84
2.8.7 有攻角表面热流 84
参考文献 85
第3章 烧蚀表面化学动力学和相容关系 87
3.1 引言 87
3.2 烧蚀表面异相化学反应动力学理论 87
3.2.1 异相反应的基本原理 88
3.2.2 表面反应动力学 88
3.2.3 表面蒸发动力学 90
3.2.4 表面反应的通用表达式 91
3.3 表面质量相容性条件 92
3.3.1 表面烧蚀的质量相容关系 92
3.3.2 带有表面烧蚀和内部热解一般情况的质量相容关系 94
3.4 表面能量相容性条件 94
3.4.1 质量引射系数 96
3.4.2 粗糙度热增量 98
参考文献 99
第4章 硅基复合材料烧蚀理论 100
4.1 引言 100
4.2 硅基复合材料烧蚀机理 101
4.2.1 树脂热分解 101
4.2.2 液态层问题 102
4.2.3 表面反应问题 103
4.3 液态层流动方程及解析分析 103
4.4 硅基复合材料烧蚀的工程计算方法 106
参考文献 111
第5章 碳基材料烧蚀理论 112
5.1 引言 112
5.2 碳基材料的烧蚀机理 113
5.2.1 碳与空气的表面化学反应 113
5.2.2 碳的升华特性 117
5.2.3 碳基材料的力学剥蚀特性 118
5.3 碳基材料的氧化动力学模型 119
5.3.1 各种经典氧化动力学模型 120
5.3.2 各种经典烧蚀模型比较 128
5.4 碳基材料氧化烧蚀的“快/慢”反应和“单/双”平台问题 131
5.4.1 CO2在烧蚀计算中的作用及快、慢反应的关系 133
5.4.2 碳氧反应的双平台理论和控制区划分 134
5.5 碳基材料的全温区烧蚀计算方法 139
5.5.1 全温区烧蚀计算模型 139
5.5.2 碳/碳烧蚀计算结果与试验结果的比较 146
5.5.3 焓值和压力对碳基材料烧蚀的影响 147
参考文献 149
第6章 热解炭化材料的烧蚀热响应理论 151
6.1 引言 151
6.2 炭化材料的分类和热解特性 153
6.2.1 炭化材料的种类及热物理特性 153
6.2.2 炭化材料的热解特性 154
6.3 炭化材料的烧蚀和内部热响应特性 157
6.3.1 炭化材料烧蚀热响应 157
6.3.2 炭化层表面的热化学烧蚀 158
6.3.3 热解气体注入边界层效应 159
6.3.4 热解气体对炭化层温度的影响 160
6.4 炭化材料烧蚀热响应计算的分层模型 161
6.4.1 热解面分层模型 161
6.4.2 热解区分层模型 162
6.4.3 一维分层模型计算与试验结果的比较 163
6.5 炭化材料烧蚀热响应的一维连续模型 167
6.5.1 连续热解动力学模型 167
6.5.2 一维连续模型的数值求解方法 169
6.5.3 表面有熔化的连续模型 182
6.6 炭化材料二维烧蚀热响应计算方法 189
6.6.1 二维连续模型计算方法 189
6.6.2 热解气体横向流动的影响 193
6.6.3 蜂窝夹层对结构温度的影响 195
6.7 炭化材料三维烧蚀热响应计算方法 198
6.7.1 三维热响应的连续模型 198
6.7.2 动网格策略 201
6.7.3 三维烧蚀热响应控制方程的有限元离散 203
6.7.4 算例 209
参考文献 213
第7章 陶瓷基复合材料烧蚀理论 215
7.1 引言 215
7.2 形成液态抗氧化膜的烧蚀模型 216
7.2.1 C/SiC复合材料的氧化特性分析 216
7.2.2 C/SiC活性氧化计算模型 218
7.2.3 活性氧化→惰性氧化的转化条件 222
7.2.4 惰性氧化计算模型 225
7.2.5 惰性氧化→活性氧化的转化条件 231
7.2.6 C/SiC材料烧蚀计算结果 232
7.3 形成固态抗氧化膜的烧蚀模型 233
7.3.1 材料的成分和结构 233
7.3.2 烧蚀机理分析 234
7.3.3 基体ZrC的惰性氧化烧蚀 236
7.3.4 表面剥蚀计算方法 238
7.3.5 基体材料热传导计算方法 240
7.3.6 C/ZrC材料烧蚀计算结果 247
7.4 孔洞和微裂缝烧蚀模型 251
7.4.1 化学反应 252
7.4.2 孔洞氧化烧蚀的计算模型 253
7.4.3 边界条件 255
7.4.4 方程求解方法 256
7.4.5 讨论 257
7.4.6 典型计算结果 258
7.5 复合材料分段协同烧蚀模型 262
7.5.1 ZrB2材料的烧蚀机理 262
7.5.2 碳纤维增强SiC和ZrB2复合材料协同烧蚀机理 269
参考文献 278
第8章 大气中云粒子对飞行器的侵蚀 282
8.1 引言 282
8.2 大气云粒子环境 283
8.2.1 大气云粒子环境描述方法和天气严重等级 283
8.2.2 云粒子的微观结构 284
8.2.3 典型地区天气剖面 289
8.3 云粒子在激波层中的质量损失和速度衰减 294
8.3.1 天气粒子在激层中的质量损失 294
8.3.2 天气粒子在激波层内的速度衰减 296
8.3.3 激波层中粒子的阻力系数 297
8.4 粒子侵蚀机制和质量损失 300
8.4.1 粒子与靶材的撞击特性 300
8.4.2 抗侵蚀系数CN和质量侵蚀比G的确定 307
8.4.3 粒子侵蚀产生的热增量 313
8.5 粒子侵蚀的相似律及试验模拟问题 316
8.5.1 粒子云环境模型简化 317
8.5.2 粒子云侵蚀的相似律 317
8.5.3 粒子侵蚀试验模拟准则 319
8.5.4 地面试验的相关性分析 322
8.6 粒子云侵蚀数值仿真和算例分析 323
8.7 自由飞弹道靶侵蚀试验技术 329
8.7.1 试验系统 330
8.7.2 试验模型 331
8.7.3 数据采集与处理 332
8.7.4 典型的试验结果 335
8.8 电弧加热器侵蚀/烧蚀耦合试验技术 336
8.8.1 试验设备 336
8.8.2 参数测试技术 338
8.8.3 应用 341
8.9 模型自由飞粒子云侵蚀试验技术 342
参考文献 344
第9章 烧蚀/侵蚀外形变化和质量特性 345
9.1 引言 345
9.2 烧蚀/侵蚀外形的描述方法 345
9.2.1 瞬时坐标系 346
9.2.2 非对称烧蚀/侵蚀外形的数值逼近 348
9.3 烧蚀/侵蚀外形微分方程的性质 353
9.3.1 烧蚀/侵蚀外形方程 353
9.3.2 烧蚀/侵蚀外形方程的性质 355
9.3.3 形变方程的拟线性化 355
9.4 烧蚀/侵蚀外形方程的求解方法 356
9.4.1 附加人工耗散项的隐式差分求解方法 356
9.4.2 求解烧蚀/侵蚀外形方程的NND格式 360
9.4.3 烧蚀/侵蚀外形计算结果分析 361
9.5 飞行器烧蚀/侵蚀外形的质量、重心和惯量计算 367
参考文献 371
第10章 复杂防热结构传热分析 373
10.1 引言 373
10.2 三维热响应的非结构网格计算方法 373
10.2.1 三维各向同性材料热响应有限体积计算方法 373
10.2.2 正交各向异性材料热响应有限体积计算方法 376
10.2.3 考核算例 378
10.3 辐射/导热混合传热问题 383
10.3.1 透明介质一维辐射导热耦合传热 383
10.3.2 气凝胶和纤维类隔热材料的隔热性能计算 385
10.4 细编穿刺复合材料多尺度传热特性 390
10.4.1 介观/细观结构模型 391
10.4.2 编织结构传热特性计算分析 393
参考文献 399
第11章 多场耦合烧蚀计算方法 401
11.1 引言 401
11.2 烧蚀耦合计算方法的发展历程 401
11.3 六自由度弹道计算方法简介 405
11.3.1 坐标系的定义及变换关系 405
11.3.2 质心动力学和运动学方程 407
11.3.3 地球自转及扁率的影响 408
11.3.4 补充关系式及弹道方程的求解 409
11.4 气动力工程预测方法 410
11.4.1 部件叠加法 410
11.4.2 推广内伏牛顿流理论 412
11.4.3 气动力在弹道方程中的引入 413
11.5 常规烧蚀耦合计算 413
11.5.1 烧蚀耦合计算