低烧蚀传热传质机理及其对飞行器气动力热特性影响效应研究

The characteristics of aeroheating environment of near space vehicle, such as long time, high enthalpy, low heat transfer and nonequilibrium, the ablation of material of thermal protection system is not severe. On this condition, pyrolysis of the material is dominant. Pyrolysis gas will cool the high temperature remanent structure the diffusing to the wall. When pyrolysis gas injecting into boundary layer, it will react with the gas in the boundary layer, and absorb the energy. And then the profiles of velocity and temperature are changed, and the characteristics of aerodynamic and aeroheating is affected. This project will aim at the research of ablation pyrolysis mechanism of carbon phenolic, the effect of boundary layer and characteristics of aerodynamic and aeroheating with injection of pyrolysis gas. The impact of heat and mass transfer of low ablation of different parameters on the characteristics of aerodynamic and aeroheating will be analysised by engineering and simulation methods established in this project. The project will also provide theory and technique to support the precise design of TPS.

由于临近空间飞行器的长时间、高焓、低热流、非平衡的典型热环境特性，飞行器防热材料表面烧蚀并不严重，材料内部的热解占主导地位。热解气体向表面扩散过程中，对高温热解残余结构进行冷却；引射进入边界层后，与边界层内气体反应，吸收热量，并影响边界层的速度型和温度型，进而影响飞行器的气动力热性能。本项目拟致力于研究碳-酚醛材料的烧蚀热解机理、热解气体引射对边界层和飞行器气动力热特性的影响，建立工程和数值计算方法，开展不同参数条件下低烧蚀传热传质对飞行器气动力热的影响分析，为热防护系统精细化设计提供理论和技术支撑。

由于临近空间飞行器的长时间、高焓、低热流、非平衡的典型热环境特性，飞行器防热材料表面烧蚀并不严重，材料内部的热解占主导地位。热解气体向表面扩散过程中，对高温热解残余结构进行冷却；引射进入边界层后，与边界层内气体反应，吸收热量，并影响边界层的速度型和温度型，进而影响飞行器的气动力热性能。本项目开展了碳-酚醛材料的烧蚀机理研究，采取Ouchi提出的三阶段酚醛热解机理，建立了裂解反应化学模型。在分析PICA类材料的微观形貌特点的基础上，采用随机结构生成方法模拟纤维的随机分布，建立了多孔介质内热解气体传热传质模型及计算方法。建立了热解气体对边界层影响数值模拟分析方法，从层流边界层相似解方程出发，建立引射气体进入层流边界层的质量和能量相容关系，开展了质量引射对边界层影响研究。研究表明：在边界层内，引射量增加，热流减小，引射气体分子量越小，热流降低越明显。开展了质量引射对高温气动力气动热影响的数值模拟分析研究，对化学非平衡NS方程采用有限体积法进行离散，兼顾计算稳定性和计算效率，对无粘项和化学反应源项采用隐式格式离散，粘性项的离散采用显式二阶中心格式离散，利用LU-SGS方法进行时间推进求解，采用了多块结构网格MPI分区并行求解技术。为提高计算精度，混合使用耗散较大的Steger-Warming矢通量分裂格式与基于精确黎曼解的低耗散Godunov格式。外流计算和烧蚀热响应计算之间存在数据依赖，考虑两种处理方式：一是CFD-烧蚀热响应耦合计算；二是采用定常烧蚀近似。选取了标模ELECTRE的一个飞行试验工况进行计算分析, 壁面存在质量引射时，流动特征与滑移壁面条件下的流动类似，使边界层速度型和温度型相对无滑移壁面时发生显著改变，并导致阻力系数、气动加热减小。最后，对Stardust采样返回舱沿轨道的烧蚀热解及其气动热进行了计算分析，计算结果表明：质量 引射的最大速度达18m/s，驻点热流比无质量引射降低40%左右，阻力略微降低，这对飞行器的长时间飞行是十分有利的。