气动加热与非烧蚀防热材料界面传热传质规律与建模研究

In this proposal, we focus on the coupling effects between aerodynamics heating and high temperature response of non-ablative thermal protection materials. The coupling mechanism of mass/heat transfer for gas boundary layer, interfacial reactive zone and oxidative process will be revealed based on combining theoretical analysis, numerical simulation and ground arc-jet wind tunnel. This method will overcome the disadvantage of traditional decoupled approximation. The general regularity, influence area/extent of coupling effects will be clarified. Simultaneously, the influencing factors of surface catalysis and rarefied gas to local area of heat/mass transfer and combined performance of thermal protection materials can be evaluated. The significance of the research is to discover the multi-scale gas flow behavior and the impacts of complex physical/chemical process to local gas flow. An interfacial data-base can be founded to evaluate the oxidation damage or local mechanical rupture of thermal protection materials. The achievements of the research will support the technical development of thermal protection system for near-space hypersonic vehicles.

本项目针对临近空间飞行器长时间防热中的气动加热与非烧蚀防热材料的高温热响应的耦合作用问题开展研究。突破非烧蚀材料防热性能分析中飞行器外部气动加热与界面反应层内气体运动及氧化反应过程解耦计算的传统处理方法，采取理论分析、数值模拟和地面电弧风洞模拟实验相结合的手段研究气体边界层的传热传质、界面反应层内的传热传质和材料氧化过程的耦合作用机理，探索耦合作用规律，给出耦合作用的影响和范围，并研究边界层流动的稀薄效应、表面催化效应及材料化学反应等因素对局部传热传质特性及材料防热性能的影响规律。项目的完成对揭示不同尺度的流动作用规律及多物理化学过程对局部流动的影响机理具有重要意义，可为防热材料氧化损伤及局部力学破坏过程研究提供接口数据，为我国临近空间高超声速飞行器热防护技术的发展提供技术支撑。

本项目基于气动热环境与非烧蚀热防护材料之间的耦合作用，通过理论分析、数值模拟和实验分析的手段，开展了外部流动与材料局部耦合传热传质机制研究、材料内部传热传质与高温热响应的耦合作用机制和气动传热耦合作用模型的地面实验验证研究。研究发现碳/碳材料表面氧化结构传热性能主要受孔隙率影响，但基本不受颗粒尺寸影响。抗氧化碳/碳材料表面存在缝隙和空腔条件下，缝隙-空腔内CO2含量较小，烧蚀产物主要以CO形式存在。当抗氧化碳/碳材料表面缝隙宽度为0.20mm至0.55mm范围内，氧化孔隙等效半径随着裂纹尺寸的增大近似呈线性增加，但当裂纹尺寸小0.20mm时，裂纹尺寸对孔隙半径的影响不再突出。基于上述研究结果，建立了基于“多层氧化”模型的氧化层生成演化规律和力学失效判据，形成了考虑材料表面氧化、氧化层演化及剥蚀等综合效应的烧蚀计算方法。