针对固体火箭发动机喷管材料烧蚀问题,分析并比较了碳基材料喷管和钨材料喷管的烧蚀率。通过计算两种喷管材料的热化学反应速率,得到了对应的烧蚀率和热流密度分布特性,并分析了燃烧室压强和温度对喷管烧蚀的影响。结果表明碳基材料喷管与钨材料喷管的烧蚀分布规律相同,但钨材料喷管的整体烧蚀率更小;燃烧室压强和温度均会提高喷管的烧蚀率。综合考虑材料成本和固体火箭发动机整机重量因素,选用钨材料喉衬可以明显减小喷管关键位置的烧蚀量。

高超声速气动热现象复杂,是高超声速飞行器热防护设计的关键技术之一。提出了一种双向耦合的多场耦合模型,实现了高声速化学非平衡气动热与结构烧蚀一体化模拟方法。针对典型飞行器结构进行了高超声速条件下的数值模拟与分析,验证了一体化模拟方法与计算程序的有效性,表明其可为相关工程提供有力的分析工具。

使用有限元方法对某型号高超声速火箭弹舵翼真实飞行工况进行气动热仿真,结合动网格和生死单元法进行舵翼烧蚀过程仿真,通过编写数据映射程序实现流体场与固体场之间的数据映射。计算了采用D6AC钢作为舵翼主要材料时,舵翼的烧蚀过程和最终烧蚀形貌。仿真结果表明D6AC钢舵翼的前缘区域被烧蚀,中后部区域基本完整。通过对比电弧加热风洞试验结果可知,仿真烧蚀结果的误差在工程应用允许误差范围内,未来可使用此方法预测不同材料舵翼的动态烧蚀过程与烧蚀区域。

飞行器再入过程中在恶劣热环境作用下会发生烧蚀,准确预测烧蚀外形变化对飞行器的防热设计和稳定性分析非常重要。针对碳/碳钝锥烧蚀防热结构,在考虑气动热和烧蚀的耦合作用下,建立了沿弹道的钝锥烧蚀外形快速预测方法。首先通过轴对称比拟法获得钝锥表面热流,继而由表面热流作为输入求得表面烧蚀量,预测结果与风洞烧蚀试验对比表明外形吻合较好,驻点烧蚀率误差小于30%。

对某取力器传动轴断裂件进行材料、断口金相和硬度的对比分析。通过断口分析发现,由于摩擦发热导致烧蚀从而造成断件高温蠕变,导致蠕变速度加快,直致疲劳断裂。针对性地提出提高热处理质量、优化设计、提高机械加工工艺精度等措施。最后通过实验来验证改进方案,并取得了良好实验效果。

为了解决小不对称再入体滚动气动力测量问题，北京空气动力研究所研制开发了以空气轴承为核心的滚转气动力测量技术，利用空气了轴承自身旋转阻尼非常小的特点，使模型做自由滚转运动，一个特殊设计的非接触的光学测量系统测出模型的转角随时间的历程，用参数拟合的方法得到滚转力矩的大小和方向。为验证该项实验技术的正确性与可靠性，在φ500高超声速风洞中对4个模型进行了吹风实验，吹风马赫数为5，测量滚转力矩系数C10和滚转阻力矩系数C1p。实验结果表明，该文方法数据合理，并较其它方法更具有鲁棒性。