高超声速飞行器表面测热技术综述.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul252014Vol35No71759—1775lSSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducnhkxb@buaaeducn高超声速飞行器表面测热技术综述孟松鹤+，丁小恒，易法军，朱燕伟，解维华哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，黑龙江哈尔滨150080摘要：高超声速飞行中飞行器表面气动加热量是飞行器热防护系统最为关键的设计输入，在理论计算与地面模拟的有限近似条件下，通过飞行试验实时获取真实环境下飞行器表面的气动

2、加热量，并在此基础上完成对计算模型与地面试验的验证与改进具有重要意义。详细列举了20世纪50年代以来，国外具有代表性的飞行试验与测热方案。以“内置式”与“嵌入式”作为测热技术的分类特征，介绍了各类测试设备及相应的飞行试验结果。着重分析了“热匹配性”与“结构匹配性”作为关键因素对飞行测热技术的影响，通过飞行试验实例介绍了该问题的解决方法及工程经验。归纳了飞行测热技术发展的共性、特点与未来趋势，并结合当前我国发展现状，对该领域未来研究提出建议。关键词：高超声速飞行器；表面热流密度；飞行试验；热流测试；热匹配中图分类号：V417；V441

3、文献标识码：A文章编号：10006893(2014)07175917各类高超声速飞行器在大气层内飞行时其表面承受不同程度的气动加热，其热防护系统是飞行成败的决定性因素。准确把握气动加热的能量传输过程是有效开展热防护设计、确保飞行安全的必由之路，在此基础上通过合理设计，可最大限度提高载荷效率与飞行性能。在工程设计中，气动热的热流密度作为结构传热计算的输入参量，源于计算流体力学模型的合理假设或各类高速风洞设备的有限近似，与真实飞行状态是“先天偏离”的。鉴于此，本文针对热防护设计的“校核、验证、完善并发展模拟试验能力”这一技术上升过程，为

4、能够准确获得飞行试验中飞行器表面的热流密度起到牵引作用。高超声速飞行具有独特的物理化学过程并且在材料与环境两端存在耦合效应，就科学角度而言，飞行过程中的热流测量将为深入研究高超声速一系列异常复杂的交互过程提供绝佳的切入点。综上所述，依靠飞行测热实现的关键数据积累，能进一步提升热防护设计能力与对高速飞行的科学认知，因而飞行测热技术一直是航天领域技术发展所关注的重点。在民用工业领域，热流测量技术发展得较为成熟，但飞行试验经历严酷的外界环境，且在力学、传热和电磁兼容等方面有着诸多限制条件。除此之外，飞行试验极高的可靠性要求，几乎将所有商业

5、化热流传感器排除在外或无法覆盖测试需求。国外已经开展的飞行试验热流测试大多针对被测飞行器的气动加热预估、防热结构等技术环节，综合所关注的测量区段，开展“定制化”设计。对于某些特殊飞行环境或测试需求，由于会对飞行器产生体系性的影响，需将测热技术区别于测量系统，与整机开展协同设计。从20世纪50年代人类踏足高超声速飞行领收稿日期：2013—06—14；退修日期：2013—08—12；录用日期：2013—09—20；网络出版时间：2013—10—0909：55网络出版地址：wwwcnkinet／kcms／detail／111929V201

6、310090955001html基金项目：国家自然科学基金(91016029，91216302，11272107)*通讯作者Tel：0451—86417560E-mail：mengsh@hiteducn黾属格式MengSH，DingXH，YiFJ，etalOverviewofheatmeasurementtechnologyforhypersonicvehiclesurfaceslJ3ActaAeronau—t／caetAstronauticaS／n／ca，2014，35(77：1759—1775孟松鹤，T小恒，易法军，等高超声速飞

7、行器表面溅热技术综述!芘航空学报，2014，35(77：1759—17751760航空学报Jul252014Vol35No7域开始，热流测试便始终伴随各类飞行试验，甚至出现专门以摸清热流边界为目标的飞行试验。这些试验数据为推动热防护技术发展起到了关键作用，累积了丰富的应用经验。本文针对世界各国飞行测热技术，梳理了其发展历程，着重介绍了代表性的飞行测热试验，并分析其技术特点，归纳其特征分类与工程经验，结合我国航天技术发展现状，对未来的发展方向给出了建议。背景介绍热流密度是传热过程中衡量能量传输强度的参量，一般通过温度测量并经过传热计算

8、而问接获得。通常热流密度与温度之问可通过傅里叶定律或能量守恒建立联系，问题求解的难易视具体传热状态而不同。高速飞行的高温绕流对飞行器表面加热过程是典型的时变边界条件下的内部非稳态过程。Neumann[11曾将高速飞行测热技术分为2大类