CN112083036B - 一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，属于航空航天飞行器总体设计与热防护系统设计技术领域。该方法以无因次质量烧蚀率为基础，将单位质量来流与防热材料的表面变化长度关联，提出了一种更为直观的单位质量来流下防热材料线烧蚀速率评价指标。以常用防热材料的单位质量来流线烧蚀速率为标准参照物，以目标防热材料线烧蚀速率除以标准参照物线烧蚀速率得到的无因次表面线烧蚀率为定量指标，建立了目标防热材料参照标准物的防热性能评价方法。

Description

一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法
技术领域
本发明涉及一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，属于航空航天飞行器总体设计与热防护系统设计技术领域，特别涉及飞行器热防护材料的设计选型与性能评价。
背景技术
高速航空航天飞行器在再入/进入大气或在大气中巡航飞行器时，高速飞行器与气体分子的壁面撞击和摩擦作用造成气体温度急剧升高，气体热量不断传输至飞行器表面，该现象称为气动加热作用或气动加热效应。为阻止气动加热导致的高温损害飞行器结构安全，现代高速航空航天飞行器通常会在飞行器表面设计专门的材料或结构来控制表面传热的影响，保障飞行器内部结构的安全。目前，碳基烧蚀防热材料，如石墨和碳/碳复合材料等，是工程应用最为广泛的一类烧蚀防热材料。
烧蚀热防护是高速航空航天飞行器广泛使用的热防护措施之一。烧蚀热防护的作用载体是烧蚀防热材料，该类材料在高温高速气流的作用下发生由固态相变、熔化、蒸发和升华等物理变化以及氧化、分解等化学变化构成的综合反应组成中的一类或若干类，材料质量在不断损失的同时阻碍了一部分高温气流热量传递至材料内部，达到控制高速航空航天飞行器内部温度的目的。目前，无因次质量烧蚀率(Dimensionless mass flux)是评价烧蚀防热材料性能的重要指标，其定义为烧蚀材料的质量损失率除以高温气体和烧蚀材料壁面质量传输流率。在相同来流条件下，无因次质量烧蚀率越大意味着防热材料的质量损失越大，反之则表示材料质量损失越小。
无因次质量烧蚀率提供了烧蚀防热材料性能的重要评价方法，是目前烧蚀热防护领域广泛接受的定量评价指标。但是，由于缺乏基本参照，高速航空航天飞行器热防护系统工程人员在使用该指标时缺乏与材料宏观特性的直观关联，尤其在面对飞行器具有特定表面烧蚀量指标要求时，面临防热材料烧蚀性能定量评估困难、选型迭代周期长的缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于碳材料标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，以现有的无因次质量烧蚀率指标为基础，以工程应用最为广泛的碳基烧蚀防热材料为标准参照，将无因次质量烧蚀率指标拓展为标准质量线烧蚀速率，进一步建立与碳基烧蚀防热材料无因次质量烧蚀率关联的标准参照无因次线烧蚀速率。
本发明解决技术的方案是：一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，该方法包括如下步骤：
S1、确定被评价防热材料目标使用环境条件；
S2、确定被评价防热材料化学构成组分与微观结构类型；
S3、采用热化学平衡或者化学反应动力学方法，计算得到步骤S1确定的被评价防热材料目标使用环境下参照标准防热材料的无因次质量烧蚀率
S4、计算单位质量反应来流下的参照标准防热材料表面线烧蚀率
S5、根据被评价防热材料化学构成组分与微观结构组成，采用热化学平衡或者化学反应动力学方法，计算目标使用环境下被评价防热材料的无因次烧蚀质量烧蚀率
S6、计算单位质量反应来流下被评价防热材料的表面线烧蚀率
S7、计算单位质量反应来流下的被评价防热材料与标准参照烧蚀材料的无因次表面线烧蚀率
所述目标使用环境条件包括来流气体的化学构成组分、温度和压力。
所述微观结构类型包括晶体或无定型非晶体。
所述步骤S4中单位质量反应来流下参照标准防热材料表面线烧蚀率的计算公式为：
其中，为参照标准防热材料无因次质量损失率，ρGraphite为参照标准防热材料的密度，公式应用条件为单位面积单位质量来流(1kg/m2)的情况。
所述步骤S6中单位质量反应来流下参照标准防热材料表面线烧蚀率的计算公式为：
其中，为被评价防热材料无因次质量损失率，ρHM为被评价防热材料的密度，公式应用条件为单位面积单位质量来流(1kg/m2)的情况。
所述单位质量反应来流下的评价防热材料与标准参照防热材料的无因次表面线烧蚀率的计算公式如下：
上式中，分别为单位质量反应来流下的被评价防热材料和标准参照表面线烧蚀率。
所述参照标准物防热材料为石墨、无定型碳、硅、氮化硼或者铍。
上述基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法还包括如下步骤：
S8、将目标使用环境下被评价防热材料的无因次质量烧蚀率单位质量反应物下单位面积表面线烧蚀率/>与标准参照无因次表面线烧蚀率/>列表建立数据库，形成被评价防热材料参考指标体系。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、该烧蚀防热性能评价方法建立了来流条件与材料烧蚀后退速率的直接关联，通过碳基烧蚀防热材料的标准参照，可以实现不同烧蚀防热材料烧蚀性能差异的直接判定，提供高速航空航天飞行器防热设计工程技术人员直接、快速的参考指标。
(2)、本发明提出的防热材料表面线烧蚀率的计算公式，直接将环境的来流质量流率与材料的表面烧蚀后退量关联，克服了传统无因次烧蚀因子较为抽象的缺点，直观且易于设计人员理解。
(3)、本发明提出的防热材与标准参照防热材料的无因次表面线烧蚀率的计算公式，反映了计算单位质量反应来流下的设计对象与标准对比材料烧蚀性能的量化对比关系，物理意义明确，易于形成标准化的数据格式。
(4)、本发明建立的防热材料标准参照防热性能数据库，可以提供定量化指标数据，便于设计人员针对不同防热方案设计获得烧蚀性能差异的直接量化数据。
附图说明
图1为本发明实施例基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法流程图；
图2为本发明实施例不同来流条件下石墨(C)的无因次质量烧蚀率；
图3为本发明实施例不同单位质量来流条件下石墨(C)的下单位面积表面线烧蚀率；
图4为本发明实施例不同来流条件下六方氮化硼(h-BN)的无因次质量烧蚀率；
图5为本发明实施例不同单位质量来流条件下六方氮化硼(h-BN)的下单位面积表面线烧蚀率；
图6为本发明实施例六方氮化硼(h-BN)的石墨标准参照无因次表面线烧蚀率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明所述的一种基于碳材料标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，基于化学平衡或化学反应动力学得到不同组分、温度和压力等来流条件下的材料无因次质量烧蚀率，通过来流气体的单位质量化并将防热材料质量损失率转换为单位面积下的厚度线烧蚀率，实现防热材料单位质量来流条件下的表面保持能力定量评价。进一步地，以碳基烧蚀防热材料的质量来流条件下的线烧蚀率为标准参照，建立不同防热材料与碳基烧蚀防热材料的表面保持能力的定量关联比较。
参考图1所示，本发明的一种基于碳材料标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法流程包括以下步骤：
S1、确定被评价防热材料目标使用环境条件；所述目标使用环境条件包括来流气体的化学构成组分、温度和压力；
S2、确定被评价防热材料化学构成组分与微观结构类型；所述微观结构类型包括晶体或无定型非晶体；
S3、采用热化学平衡或者化学反应动力学方法，计算得到步骤S1确定的被评价防热材料目标使用环境下参照标准防热材料的无因次质量烧蚀率
S4、计算单位质量反应来流下的参照标准防热材料表面线烧蚀率
单位质量反应来流下参照标准防热材料表面线烧蚀率的计算公式为：
其中，为参照标准防热材料无因次质量损失率，ρGraphite为参照标准防热材料的密度，公式应用条件为单位面积单位质量来流(1kg/m2)的情况。
的量纲为长度，单位为米。物理意义为：单位质量来流反应气体作用在单位面积防热材料上造成的表面厚度变化。当/>为正值时表示防热材料在来流反应气体作用下发生烧蚀表面后退，/>为负值时表示防热材料在来流反应气体作用下发生烧蚀表面增长。
S5、根据被评价防热材料化学构成组分与微观结构组成，采用热化学平衡或者化学反应动力学方法，计算目标使用环境下被评价防热材料的无因次烧蚀质量烧蚀率
S6、计算单位质量反应来流下被评价防热材料的表面线烧蚀率
单位质量反应来流下参照标准防热材料表面线烧蚀率的计算公式为：
其中，为被评价防热材料无因次质量损失率，ρHM为被评价防热材料的密度，公式应用条件为单位面积单位质量来流(1kg/m2)的情况。
S7、计算单位质量反应来流下的被评价防热材料与标准参照烧蚀材料的无因次表面线烧蚀率
所述单位质量反应来流下的评价防热材与标准参照防热材料的无因次表面线烧蚀率的计算公式如下：
上式中，分别为单位质量反应来流下的被评价防热材料和标准参照表面线烧蚀率。
表示防热材料与标准参照具有相反的烧蚀表面规律，即标准参照表现为烧蚀后退行为时防热材料表面为表面烧蚀增长；/>时表示防热材料表面保持恒定；/>时，表示被评价防热材料表面烧蚀后退速率小于标准参照防热材料；/>时，表示被评价防热材料表面烧蚀后退速率与标准参照防热材料相当；表示被评价防热材料表面烧蚀后退速率大于标准参照防热材料。
所述参照标准物防热材料可以为石墨、无定型碳、硅、氮化硼或者铍。优选地，选取石墨为标准参照。选取石墨为标准参照除了该类材料为常用烧蚀防热材料外，还因为石墨材料的烧蚀行为表现为质量损失的同时表面后退，即避免了上式由于/>造成的奇异。
S8、将目标使用环境下被评价防热材料的无因次质量烧蚀率单位质量反应物下单位面积表面线烧蚀率/>与标准参照无因次表面线烧蚀率/>列表建立数据库，形成被评价防热材料参考指标体系。
实施例：
下面结合图2～图6和表1通过具体的实施例对本发明作进一步详细地描述。
步骤一：确定防热材料的目标使用环境：来流组分为空气，化学组成简化为79％的氧气(O2)和21％的氮气(N2)，材料表面温度T范围1000K～3500K，压力值P分别为0.1atm，1.0atm，10.0atm和100atm；
步骤二：选择石墨为标准参照物防热材料，石墨材料的化学成分为碳元素，化学式为C，材料由晶型为六方结构的多晶体构成；
步骤三：确定氮化硼为目标评价防热材料，氮化硼材料的化学成分为摩尔比1:1的氮元素与硼元素，化学式为BN，目标评价材料由晶型为六方结构的多晶体构成，化学式简写为h-BN；
步骤四：根据热化学平衡或者化学反应动力学方法，计算得到多晶石墨在不同温度和压力条件石墨的无因次质量烧蚀率如图3所示；
所述热化学平衡或者化学反应动力学方法可以参考文献：F.S.Milos andJ.Marschall.Thermochemical Ablation Model for TPS Materials with MultipleSurface Constituents.6th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat TransferConference.June 20-23,1994/Colorado Springs,CO,US.
步骤五：根据多晶石墨的无因次质量烧蚀率由式(1)计算得到多晶石墨的单位质量反应来流表面线烧蚀率/>如图3所示；
步骤六：同样对六方氮化硼(h-BN)进行步骤四和步骤五操作，得到h-BN在不同温度和压力条件的无因次质量烧蚀率所图4所示，以及单位质量反应来流表面线烧蚀率/>如图5所示；
步骤七：根据式(2)计算得到单位质量反应来流下h-BN标准参照石墨的无因次表面线烧蚀率如图6所示；
步骤八：将来流气体的化学构成组分、温度和压力与h-BN的无因次质量烧蚀率单位质量反应物下单位面积表面线烧蚀率/>h-BN的石墨标准参照无因次表面线烧蚀率/>列表建立数据库，如表1所示；
表1六方氮化硼(h-BN)烧蚀性能数据库列表
如表1所示，本发明给出了不同温度和压力条件下，六方氮化硼的无因次质量烧蚀率单位质量来流表面线烧蚀速率/>和相对于石墨的无因次表面线烧蚀率的定量数据。结果表明，空气介质0.1atm、1.0atm、10.0atm和100.0atm压力热化学平衡条件下，h-BN相比于石墨的等线烧蚀速率特征温度分别为T＝1816K、2010K、2302K、2651K，如图6所示。特征温度以下，h-BN的线烧蚀性能优于石墨；特征温度以上，石墨的线烧蚀性能优于h-BN。上述数据可以直接应用于高速航空航天飞行器的防热材料选型及防热系统烧蚀性能定量预估。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、确定被评价防热材料目标使用环境条件；
S2、确定被评价防热材料化学构成组分与微观结构类型；
S3、采用热化学平衡或者化学反应动力学方法，计算得到步骤S1确定的被评价防热材料目标使用环境下参照标准防热材料的无因次质量烧蚀率
S4、计算单位质量反应来流下的参照标准防热材料表面线烧蚀率
S5、根据被评价防热材料化学构成组分与微观结构组成，采用热化学平衡或者化学反应动力学方法，计算目标使用环境下被评价防热材料的无因次烧蚀质量烧蚀率
S6、计算单位质量反应来流下被评价防热材料的表面线烧蚀率
S7、计算单位质量反应来流下的被评价防热材料与标准参照烧蚀材料的无因次表面线烧蚀率
2.根据权利要求1所述的一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，其特征在于所述目标使用环境条件包括来流气体的化学构成组分、温度和压力。
3.根据权利要求1所述的一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，其特征在于所述微观结构类型包括晶体或无定型非晶体。
4.根据权利要求1所述的一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，其特征在于所述步骤S4中单位质量反应来流下参照标准防热材料表面线烧蚀率的计算公式为：
其中，为参照标准防热材料无因次质量损失率，ρGraphite为参照标准防热材料的密度，公式应用条件为单位面积单位质量来流的情况。
5.根据权利要求1所述的一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，其特征在于所述步骤S6中单位质量反应来流下被评价防热材料的表面线烧蚀率的计算公式为：
其中，为被评价防热材料无因次质量损失率，ρHM为被评价防热材料的密度，公式应用条件为单位面积单位质量来流的情况。
6.根据权利要求1所述的一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，其特征在于所述单位质量反应来流下的评价防热材料与标准参照防热材料的无因次表面线烧蚀率的计算公式如下：
上式中，分别为单位质量反应来流下的被评价防热材料和标准参照表面线烧蚀率。
7.根据权利要求1所述的一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，其特征在于所述参照标准物防热材料为石墨、无定型碳、硅、氮化硼或者铍。
8.根据权利要求1所述的一种基于标准参照的材料无因次烧蚀防热性能评价方法，其特征在于还包括如下步骤：
S8、将目标使用环境下被评价防热材料的无因次质量烧蚀率单位质量反应物下单位面积表面线烧蚀率/>与标准参照无因次表面线烧蚀率/>列表建立数据库，形成被评价防热材料参考指标体系。
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