高超声速飞行器热/噪声/结构多场耦合机理与试验方法研究

飞行器在高超声速飞行过程中大面积防热结构、翼舵结构、冲压发动机进气道等面临着极其严酷的气动加热、噪声、力载荷等超常复合环境，热/噪声/结构之间的耦合问题愈发突出，威胁着飞行器结构的安全性与可靠性。本项目结合高超声速飞行器任务剖面中热噪声载荷特点，基于热噪声地面模拟试验研究热载荷与噪声载荷之间耦合影响，对热噪声复合载荷下结构的动态响应特性、热噪声试验方法、热噪声疲劳寿命预示方法等方面进行深入研究，揭示高超声速飞行器的热/噪声/结构之间的多场耦合机理，得出热噪声复合载荷下考虑突弹跳变的非线性动态响应特征，提出热噪声复合环境试验的实现方法和热噪声疲劳寿命预示方法，提升我国在这一技术领域的研究水平，为高超声速飞行器研制和性能考核提供理论和技术支撑。

高超声速飞行器是世界航空航天领域的热点发展方向。与传统型号相比飞行器将在大气层内高马赫数飞行，面临着极其严酷的气动加热、噪声、力等极端复合环境。气动加热效应会降低结构的力学性能，影响结构刚度，改变结构模态特性。特别是当噪声、振动环境与高温环境叠加时，威胁着飞行器结构的安全性与可靠性。本项目结合高超声速飞行器任务剖面中热噪声载荷特点，基于热噪声地面模拟实验研究热载荷与噪声载荷之间耦合影响，对热噪声复合载荷下结构的动态响应特性、热噪声实验方法、热噪声疲劳寿命预示方法等方面进行研究。重点开展了高温环境下的激励技术、复合环境模拟与施加技术、高温测量技术初步建立了温度达1000℃的热模态实验方法，以及噪声165dB和温度1000℃的壁板结构热噪声复合环境实验方法。进一步结合热噪声行波管实验系统，完成了噪声气流对实验件表面对流换热系数和温度场影响研究，以及辐射加热对行波管噪声场特性影响研究。在分析技术方面，综合用辐射加热分析方法和结构动力学分析方法，建立了一种应用于飞行器结构地面热模态实验的预示方法。进一步针对典型结构开展了热模态实验，初步揭示了高温环境下飞行器结构模态特性变化规律，验证了热模态仿真方法的正确性与有效性。在热模态分析的基础上，基于有限元/边界元方法，建立了典型结构在热噪声复合环境下的动响应分析方法，并开展了典型结构热噪声响应与疲劳特性分析实验。该研究能够提升我国在这一技术领域的研究水平，为高超声速飞行器研制和性能考核提供理论和技术支撑。