高超声速飞行器防热结构内部温度场的重建方法研究

In recent years, detection of internal unsteady temperature distributions in thermal protection structure (TPS) has been drawn wide attention from research field, because temperature is a key parameter that not only affects the thermal quality of materials but also can be used to evaluate the state of TPS. However, due to the complexity of measurement principle, the lack of the reconstruction methods of internal temperature distributions and so on, the development of noninvasive temperature detection in solid materials is limited. In this project, the principle of ultrasonic sensing internal temperature distributions in solid materials which is based on temperature dependence of the velocity of the ultrasonic wave that propagates through the material is theoretically analyzed first. Then, the model of heat conduction with the application of inverse analysis methods, such as Conjugate Gradient method, is adopted to establish a robust, accurate and well-posed reconstruction method of internal temperature distributions fit for ultrasonic sensing. Simulation and stability analysis are made to illustrate accuracy, stability, as well as factors of influencing quality of these parameter estimation methods, such as the locations of detection points. Subsequently, a validation experiment is made, with analysis of characteristics of these reconstruction methods. The present work may provide the theory basis and technical supports for the development of ultrasonic sensing intetnal temperature distributionn, optimization of materials and safety evaluation of TPS.

结构热防护是决定高超声速飞行器性能和安全的关键技术之一。结构内部非均匀温度的探测对防热系统高效设计、飞行状态监测与性能评估以及结构地面热安全考核等都具有十分重要的作用。然而，国内在防热结构内部非均匀温度场精细探测研究方面尚处于开始阶段。本项目针对结构内部温度场探测的研究局限性和发展需求，以建立一种新型的非均匀温度场重建方法为目标，开展超声波传播信号与温度的相关性研究，揭示其测温的感知机理；建立基于超声波传播特性的热传导反问题分析模型与方法，表征稳态/瞬态边界、路径弯曲效应和介质非均匀特性等影响因素对测温精度的敏感性；探索研究超声波传播信号精确捕捉的试验方法，并通过原理性实验验证重建方法的有效性。研究成果将为新型超声波温度测量技术的发展、结构内部非均匀温度场的预测和评估以及探索研究结构内部参数提供有效的方法、手段及分析平台。

结构内部非均匀温度的探测对防热系统高效设计、飞行状态监测与性能评估以及结构地面热安全考核等都具有十分重要的作用。然而，国内在防热结构内部非均匀温度场精细探测研究方面尚处于开始阶段。本项目针对内部温度的无损探测需求，采用理论分析、数值模拟和实验验证结合的方式，分别从“可感知（数理模型）”、“可重建（温度场重建方法）”和“可实测（原理验证）”三个方面开展基于超声波探测的测温方法研究，为探索发展结构内部温度分布的超声波探测技术奠定基础。 .本文从热/声耦合模型、计算方法以及耦合特性三个方面对结构内部温度超声测量的正问题进行了系统分析，在此基础上，对比了声时和声衰减的温度相关性，建立了超声测温的时移模型。该模型刻画了超声波传播路径上温度分布的累积量，实现了超声波对结构内部温度的无损感知。.从求解热/声耦合反问题角度，本文基于声波的传播特性建立了基于热边界反演的温度场重建模型。基于此模型，应用参数辨识中的灵敏度法和共轭梯度法，发展了一维基于稳态/瞬态边界反演的温度场重建方法，同时，从射线声学角度建立了二维声传播路径预测方法，进一步发展了基于传播路径预测和瞬态热边界反演的二维结构内部瞬态温度场的重建算法。.在此基础上，从无量纲和频域分析角度，通过频谱特性分析，探索了热流的幅值、试件的厚度、加热时长、声时的误差、超声探头布置方式等因素的影响规律。最后，总结了影响温度场重建质量的三个重要参数：傅里叶数、信噪比和约束度。数值实验对比表明，本文所建算法精度高、抗噪性强、适用性好，为实现温度场的高分辨率再现奠定坚实基础。.自主设计并构建了超声测温原理性实验台，发展了基于相位的声时整零分测方法，同时针对钢、铝、钛三种典型材料，进一步开展波速与温度的关系标定，以及稳态/瞬态温度场超声波探测的原理性实验验证，实现了国内超声探测固体内部温度分布的重要突破，相关研究为促进超声固体测温技术的发展奠定重要基础。