[科普中國]-高超音速傳熱

基本概念高超音速

高超音速是指物體的速度超過5倍音速（約合每小時移動6000公里）以上。高超音速飛行器主要包括3類：高超音速巡航導彈、高超音速飛機以及空天飛機。

傳熱傳熱是熱能從高溫向低溫部分轉(zhuǎn)移的過程。從本質(zhì)上來說，只要一個介質(zhì)內(nèi)或者兩個介質(zhì)之間存在溫度差，就一定會發(fā)生傳熱。物體的傳熱過程分為三種基本傳熱模式，即: 熱傳導、熱對流和熱輻射。傳遞熱量的單位為J（焦耳）。在某些環(huán)節(jié)上，傳熱技術及相關材料設備的研制開發(fā)甚至成為整個系統(tǒng)成敗的關鍵因素。

耐熱合金蜂窩蜂窩夾芯結構是一種先進的輕質(zhì)結構型式，在火箭整流罩、飛機機身、航空發(fā)動機短艙、現(xiàn)代衛(wèi)星等航空航天結構件中得到廣泛應用，也成為高超音速飛行器和新一代可重復使用運載器熱防護系統(tǒng)面板的理想方案。耐熱合金蜂窩夾芯結構用作熱防護系統(tǒng)面板，進行設計時必然涉及傳熱分析。由于蜂窩芯體的幾何不連續(xù)性，導致其內(nèi)部傳熱模式相當復雜，包括金屬胞壁的固體導熱、蜂窩腔體內(nèi)的氣體導熱，以及蜂窩上下面板間的輻射換熱等幾種不同模式。熱分析時，如果對蜂窩芯體和其內(nèi)部的傳熱模式進行詳細建模將使分析模型過于復雜，通常期望將蜂窩芯體等效為連續(xù)的實體，采用蜂窩芯體的宏觀等效熱導率進行傳熱分析。

文獻1針對Hastelloy X耐熱合金蜂窩夾芯結構開展了穩(wěn)態(tài)傳熱實驗,通過控制加熱板溫度,獲得了一組熱平衡時蜂窩夾芯結構的熱、冷面溫度,結合Stefan-Boltzmann定律和大空間自然對流實驗關聯(lián)式,采用熱阻分析方法得到了Hastelloy X耐熱合金蜂窩隨溫度變化的宏觀等效熱導率,并采用Swan-Pittman半經(jīng)驗模型預測了該蜂窩的等效熱導率,與實驗結果對比一致性較好. 溫度越高，耐熱合金蜂窩夾芯結構的隔熱效果越好，耐熱合金蜂窩的等效熱導率比胞壁材料的熱導率小一個數(shù)量級。

高超音速NS方程目前，世界航天發(fā)達國家都在致力發(fā)展完全可重復使用運載器，其中關鍵是可重復使用熱結構。由于相似性和成本等原因，在先期研究中常采用計算機模擬，以弄清結構在強烈氣動加熱下的熱響應情況。這是典型的高超音速氣動加熱與結構熱響應耦合問題，國際上目前在沿再入軌道研究此類問題中常采用松耦合方法，即在幾個給定軌道點上進行迭代，以確定氣動熱與表面溫度的變化關系；在工程計算中，通常沿軌道給定表面冷壁熱流，實際計算中按表面溫度再作熱壁修正．事實上，由于再入過程中強烈的氣動加熱，使再入體表面溫度發(fā)生迅速的變化，這會對表面氣動加熱帶來影響，采用上述的松耦合計算就存在較大偏差。

文獻2在以往對類前緣防熱層熱響應計算分析基礎上,進一步研究實現(xiàn)了外流場高超音速NS方程數(shù)值計算表面氣動加熱與防熱層結構熱響應的耦合計算,這對于常用的非耦合計算方法來說是一進步,也為進一步開展外流場/結構熱響應/熱應力全耦合一體化計算研究和防熱層表面吹氣強化傳熱問題的場協(xié)同研究打下了基礎. 剛開始受到加熱時，防熱層內(nèi)溫度變化主要沿防熱層厚度方向；在加熱較長時間后，沿厚度方向變化很小，溫度主要沿弧長方向變化．耦合條件下的氣動加熱量要受到結構熱響應造成的溫度變化的影響．

機載IRST系統(tǒng)在“全球快速打擊計劃”的推動下，各軍事強國致力于高超音速飛行器的研制。高超音速飛行器是指速度在5Ma以上，其突防能力強，是在1h 內(nèi)攻擊地球任意位置目標的新武器，這對我國防空體系構成嚴重威脅，因此對高超音速飛行器的探測研究具有重大意義。由于目前雷達探測的局限性，機載 IRST（Infrared Searchand Track）系統(tǒng)作為一種“被動式雷達”，其良好的隱蔽性、抗電磁干擾和遠距離探測能力的諸多優(yōu)點使得 IRST 系統(tǒng)在戰(zhàn)場上發(fā)揮著重大作用。

針對高超音速飛行器不同于低速飛行器的紅外輻射特性，文獻3提出了機載IRST系統(tǒng)紅外探測高超音速飛行器的建模方法。重點利用高溫邊界層傳熱理論建立了高超音速飛行器蒙皮輻射特性模型，分析了排氣系統(tǒng)和環(huán)境背景輻射特性，根據(jù)不同高度下大氣層結構分布對紅外輻射傳輸?shù)挠绊?，建立了大氣斜程透過率模型，提高了透過率計算的準確性；考慮環(huán)境背景輻射的影響，給出了IRST系統(tǒng)對高超音速飛行器的作用距離模型。最后通過仿真實驗分析了不同季節(jié)、高度和目標仰角下大氣透過率特點，分析了不同仰角、速度和波段等因素下探測器對高超音速目標紅外作用距離的影響，結論論證了所建模型的實效性。

氣體對撞加熱常規(guī)氣體加熱都是利用熱傳導、對流、熱輻射將熱量首先傳遞給發(fā)熱體表明附近的氣體，再通過對流換熱逐步使氣體溫度升高。要使氣體整體達到所需的溫度，需要一定的傳熱時間。用溫差加熱方式加熱時，為提高加熱速度，就需要升高外部溫度，加大溫度梯度，從而也增大了熱損失。而內(nèi)通道高速氣體的對置撞擊的加熱方法是把高速壓縮空氣的一部分動能和壓能直接轉(zhuǎn)化為其內(nèi)能（熱能），故可在短時間內(nèi)加熱。

發(fā)明專利4公開了一種超音速氣體對撞式加熱裝置及加熱方法，加熱裝置包括由隔熱管道制成的兩段對向的先縮后擴的變截面進口氣流通道、兩段背向出口氣流通道，出口氣流通道垂直于進口氣流通道，并且通道的截面積大于進口氣流通道的截面積；進口氣流通道和出口氣流通道連接處為氣體對撞區(qū)，氣體對撞區(qū)中心設有導熱性能良好的傳熱部件。將壓縮空氣從兩段相向進口氣流通道送入，氣流在進口氣流通道中加速至超音速，然后在氣體對撞區(qū)發(fā)生碰撞，使得氣體溫度迅速升高后通過背向出口氣流通道流出，對撞區(qū)中的傳熱部件傳遞熱量到與其連接的外圍裝置中對所需要加熱介質(zhì)進行加熱。本發(fā)明具有結構簡單、制造成本低、加熱速度快、節(jié)能高效、清潔衛(wèi)生等優(yōu)點。