六相交流放电再入飞行器热环境地面模拟研究

作     者：方川 张子明 汪耀庭 罗岚月 曾实 李志辉 李和平 Fang Chuan;Zhang Ziming;Wang Yaoting;Luo Lanyue;Zeng Shi;Li Zhihui;Li Heping

作者机构：清华大学工程物理系北京100084 中国空气动力研究与发展中心超高速所四川绵阳621000 国家计算流体力学实验室北京100191 

出 版 物：《力学学报》 (Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics)

年 卷 期：2023年第55卷第12期

页      面：2818-2834页

核心收录：

学科分类：07[理学] 08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 070204[理学-等离子体物理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(12075132) 国家重点基础研究发展计划(2014CB744100)资助项目 

主　　题：电弧等离子体 多相交流电弧放电 飞行器再入过程地面模拟 飞行器表面热环境 烧蚀实验 

摘      要：再入飞行器高速飞行过程中,其表面受到强烈的气动加热作用,所产生的复杂高温气体环境会破坏飞行器材料,影响飞行器结构的可靠性.因此,基于地面装置实现高速飞行器再入过程中表面热环境的模拟,对于再入飞行器的热防护测试具有十分重要的意义.文章基于数值模拟,分析了工作气压的变化对等离子体中非平衡能量输运过程以及等离子体气体温度等参数的影响规律,提出了通过改变工作气压来调节等离子体冲击壁面的热流密度的方法.基于此,首先以表面热流密度和加热时间与真实飞行条件下一致为原则,基于六相交流电弧放电等离子体实验平台,产生了大体积、高气体温度,且壁面热流密度可调的等离子体电弧射流.然后,对采用酚醛浸渍基碳热防护材料的烧蚀体进行了地面烧蚀实验,在壁面热流密度为1.07~3.95 MW/m2范围内获得了与文献报道吻合较好的实验结果,初步验证了该方法的可行性.对高速再入飞行器典型部件进行了烧蚀实验,在壁面最高热流密度为5 MW/m2的实验条件下,获得了与空间飞行实验吻合良好的地面模拟实验结果.这表明在不采用高成本风洞的前提下,本论文所提出的地面模拟实验方法可在一定程度上模拟飞行器再入过程中的表面热环境.