高超聲速飛行器金屬結(jié)構(gòu)熱管熱防護(hù)機(jī)制理論與模擬研究.pdf

1、高超聲速飛行器在大氣中通常以5倍 Ma數(shù)以上的速度飛行，包括彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、再入飛行器、跨大氣層式的空天飛行器等。發(fā)展高超聲速飛行技術(shù)具有極其重要的商業(yè)和軍事應(yīng)用價值。但隨著高超聲速飛行器巡航速度的大幅提升，其服役環(huán)境也更加惡劣。特別是在飛行器的翼前緣等尖銳的局部結(jié)構(gòu)處，在強(qiáng)烈的氣動熱負(fù)荷作用下，進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱流密度十分巨大，導(dǎo)致溫度大大升高，甚至引起材料的失效。
　　本文提出在翼前緣內(nèi)引入一平板型熱管的半主動式熱防護(hù)方案，然

2、后從標(biāo)準(zhǔn)高超聲速關(guān)系式推導(dǎo)出翼前緣表面外的熱邊界條件，并分別采用理論分析和數(shù)值模擬方法對此半主動式熱防護(hù)方案的熱防護(hù)機(jī)制和冷卻效果進(jìn)行了分析和研究，評估了在指定飛行工況（Ma數(shù)為6-8）和三種不同翼前緣結(jié)構(gòu)材料（鎳基合金 Inconel625、鈮基合金 C-103和鉬基合金 TZM）下熱管的工作特性和可行性。
　　通過分析發(fā)現(xiàn)，高超聲速飛行器的 Ma數(shù)增加時，翼前緣結(jié)構(gòu)內(nèi)的等溫溫度 Tiso、峰值溫度 Tmax和最大米澤斯熱應(yīng)力σ

3、eq都將大大增加。在所研究的高超聲速飛行工況下，設(shè)計長度 L對 Tiso、Tmax和σeq影響很大，Tiso和Tmax隨設(shè)計長度 L的增加而迅速降低，而σeq則隨 L的增加而增大。同時， Tiso與翼前緣材料的選擇無關(guān)，但材料的導(dǎo)熱系數(shù) k增加時，Tmax將有所減小，σeq則對材料的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)中的溫度很敏感。
　　研究結(jié)果同時表明，當(dāng)翼前緣半徑為3mm、設(shè)計長度為0.15m時，在以 Li為工質(zhì)的高溫?zé)峁艿睦鋮s下，鈮合金 C-1