气动加热环境下非烧蚀热防护系统表面传热传质机理研究

本项目针对临近空间高超声速飞行器的复杂热环境特性与非烧蚀材料之间的耦合作用，基于气动热力学原理，通过多学科结合，从宏观和细观两个尺度出发开展飞行器材料表面能量交换与质量扩散等热行为研究；着重考虑在不同流场参数的高温气动热环境作用下，影响飞行器表面能量交换与质量扩散的关键因素，揭示非烧蚀材料表面存在的催化复合、氧化以及扩散特性等传热传质规律，探索适用于近空间高温气动热环境的低催化以及扩散抑制的非烧蚀热防护技术。

本项目针对临近空间高超声速飞行器复杂热环境与非烧蚀材料之间的耦合作用，通过理论分析、数值模拟和实验分析的手段，研究了飞行器材料表面能量交换和质量扩散特性，获得了飞行器在气动加热环境下的热环境特征和组分分布特征。通过数值分析的手段分析了影响飞行器表面能量交换和质量扩散的关键因素，获得了影响材料表面多尺度孔隙内部气体质量扩散的关键参数。针对真实服役状态催化、氧化耦合作用条件下热防护材料表面氧化特性，基于理论分析、数值分析手段建立了材料表面界面反应层存在微尺度缝隙时的氧化预测模型。通过地面静态氧化烧蚀实验，完成预测模型的验证与完善。.通过研究，得到以下认识：.（1）受壁面边界条件的影响，不同边界条件的近壁处流动参数和气体组成存在差异。烧蚀状态相比非烧蚀状态，对驻点附近近壁空气组分浓度分布影响微弱。壁面催化将降低近壁原子浓度，完全催化壁与非催化壁之间的组分浓度差异由边界层外缘气体离解程度决定。增大飞行器头部尺寸和壁面温度将增强壁面催化效应，使得近壁气体离解程度增强。随着壁面催化复合系数增强，离解气体组分浓度快速降低。.（2）对于微米尺度缝隙，孔隙大小对气体扩散能力有显著的影响，并且存在阙值，扩散能力在大于阙值之后快速增加。当缝隙尺度达到或接近毫米量级时，扩散能力与自由状态基本一致。随着缝隙内压力升高，气体扩散能力减弱，在较低压力条件下（p<100Pa），随着温度升高扩散能力逐渐下降，在较高压力条件下（p>1000Pa）随着温度升高气体扩散能力有所增强。当存在内外压差时，气体在压力驱动下持续向低压区扩散，当内部压力与环境压力一致时，气体表现为随机扩散运动。.（3）服役状态，表面微尺度缝隙（毫米量级）内部气体以扩散为主导机制。材料外表面发生烧蚀将降低进入缝隙内部的氧含量，缝隙内部为贫氧氧化，这一规律不受缝隙内孔洞尺寸影响。.（4）基于理论分析和数值模拟，建立了抗氧化C/C材料表面存在缺陷时缝隙内氧化预测数学物理模型。选择抗氧化C/C材料预留不同尺寸缝隙，进行不同加热温度和加热时间条件下的材料氧化实验，与预测氧化量进行对比验证，完善了预测模型。.通过研究，实现了研究目标，在高超声速流场特征，材料表面微结构扩散过程及气动环境与材料扩散氧化耦合作用规律方面取得了新的认识，所建立的氧化预测模型已为新型高超声速飞行器热防护材料表面氧化烧蚀机理认识提供技术支撑。