气动热与非烧蚀防热材料耦合机制与建模研究

The coupling mechanisms of aerodynamic heating and non-ablation TPS materials will be studied in the project. The research contents includes the oxidation and catalysis effects of aerodynamic heating on the non-ablation TPS materials, the effects of oxidation and catalysis on the aerodynamic heating process, as well as the coupling effects and the prediction methods between aerodynamic heating and non-ablation TPS materials. The main influence factors and their affection laws will be investigated, and the results will provide the theory and technical supports for the design, optimazation and accurate evaluation of near spasce vehicle TPS.

本课题采用理论分析、数值计算和风洞实验研究相结合的手段，对近空间飞行器的气动环境与材料结构的耦合效应及模拟方法进行研究。主要研究内容包括：①高温热环境对材料表面演化特性的影响规律研究；②高温热环境条件下材料表面演化特性对气动热环境的影响规律研究；③高温热环境与材料演化特性的耦合作用机制及其预测方法研究。通过上述研究，探索气动热环境与表面高温材料之间的复杂化学和热力学耦合作用的表征、建模理论和方法，以准确预测飞行器气动热环境、提高热防护系统设计效能，为临近空间飞行器防热结构的优化及新型高效防热结构的研制提供理论依据和技术支撑。

比较系统的研究了各类因素对气动加热的影响，包括表面特性、物理现象、几何特征等方面。.在表面特性（如材料物性参数、催化、辐射、耦合效应等）对热环境的影响方面。建立了非平衡气动热与防热材料耦合计算模型，完善和发展了高超声速飞行器热化学非平衡流场计算方法和计算软件。包括热化学非平衡流场与防热材料热传导温度场的耦合计算模型、高温空气表面催化特性计算模型、考虑表面热辐射效应的表面温度计算模型和碳-碳防热材料氧化和催化特性计算模型。.在物理现象（如化学反应、烧蚀氧化等）对热环境的影响方面。（1）深入开展了碳/碳化硅复合材料氧化烧蚀过程的机理分析，完成了理论建模工作：完成了抗氧化膜的组分、相态及细观结构的理论分析，建立了抗氧化膜数学物理模型；建立了氧在氧化膜中的扩散特性模型，建立了氧化膜的生成过程数学物理模型，建立了抗氧化膜的损失条件及损失过程的数理模型；完成了活性氧化和惰性氧化的反应机制以及烧蚀机理研究。（2）完成了Navier-Stokes 方程、传统激波关系式、无滑移边界条件在航天器主要加热区适用性的理论分析；开展了气动热与非烧蚀防热材料相互作用快速预测方法的研究，重点分析了了壁温和材料表面催化特性对热环境的影响。.在几何外形（如各类缝隙）对热环境的影响方面。（1）针对实际飞行器中存在的前缘缝隙模型，建立了辐射/对流/热传导计算分析模型，在自研高超声速流场计算软件（OneFlow）和三维温度场计算软件（Temperature3D）的基础上，考虑缝隙内壁面间的相互辐射情况，根据当前温度分布重新计算获得壁面的对流热流和辐射热流，开发了一套可用于对流/辐射/热传导相耦合的计算分析方法。（2）研究了特征尺寸对高温气体非平衡效应影响，开展了热化学非平衡效应、气体辐射和表面计算模型对气动热环境影响计算分析。对于不同特征尺寸或不同外形的高超声速飞行器的高温气体效应，不能简单的类比，要做具体的计算分析，高温气体效应的强弱不仅与飞行速度和飞行高度相关，还与飞行器的特征尺寸相关。