[发明专利]多组分防热材料多反应机制控制下的烧蚀速率确定方法

权利要求书

1.针对弹道式再入弹头热防护的多组分防热材料多反应机制控制下的烧蚀速率确定方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据多组分防热材料的组成成分X₁,X₂,…,X_k和来流气体成分，采用化学热力学基本原理确定材料表面可能出现的化学反应K₁,K₂,…,K_j及可能产生的烧蚀气体产物组成X₁′,X₂′,…,X_i′；

(2)分别假设多组分防热材料由X₁,X₂,…,X_k中的一种成分组成，计算在当前温度、压力及来流气体成分条件下各个组分的热化学平衡烧蚀质量损失速率v_ck；以及根据材料表面可能出现的化学反应K_j，计算在当前温度、压力及来流气体成分条件下各个组分的动力学烧蚀质量损失速率v_jk；

(3)分别针对防热材料的每个组分，确定v_ck和v_jk的大小关系：若v_ck≥v_jk，则认为该组分的烧蚀速率受反应动力学过程控制；反之，则认为该组分的烧蚀速率受热化学平衡条件控制；

(4)根据多组分防热材料的组成成分，建立受反应动力学过程控制的组分的反应产物质量守恒方程，建立受热化学平衡条件控制的组分的化学平衡方程；

(5)根据材料组分数量、受反应动力学过程控制的组分数量、气体产物组成数量及方程组封闭条件，略去被重复考虑的化学反应的化学平衡方程；

(6)联立求解气动加热环境下材料烧蚀表面的元素质量守恒方程、受反应动力学过程控制的反应产物质量守恒方程、受热化学平衡条件控制的化学平衡方程、气体总压方程和面积因子方程，得到材料的无因次质量烧蚀速率；

(7)根据无因次质量烧蚀速率，结合气体边界层传热传质近似比拟关系，采用来流冷壁热流、恢复焓换算当前温度、压力及来流气体成分条件下的材料烧蚀速率；

(8)采用不同来流参数、温度、压力条件下的材料烧蚀速率，进行防热材料在气动加热环境下的烧蚀评估或防热层厚度设计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：适用于任意组分及组分比例组成的多组分防热材料、以及适用于任意组分及组分比例组成的来流气体和热解引射气体。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中建立受反应动力学过程控制的组分的反应产物质量守恒方程步骤如下：

(4.1)根据多组分防热材料表面可能出现的化学反应K₁,K₂,…,K_j及可能产生的烧蚀气体产物组成X₁′,X₂′,…,X_i′，挑选出与组分X_k相关的化学反应和与组分X_k相关的烧蚀气体产物；

(4.2)根据材料烧蚀表面气体分压、反应动力学参数，建立材料表面与组分X_k相关的化学反应的反应速率方程；根据与组分X_k相关的烧蚀气体产物在边界层外缘和材料表面的质量浓度、来流气体质量流率、化学反应的反应速率，建立材料表面的组元质量守恒方程；

(4.3)合并与组分X_k相关的化学反应的反应速率方程、与组分X_k相关的烧蚀气体产物的组元质量守恒方程，得到受反应动力学过程控制的组分X_k的反应产物质量守恒方程。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：受反应动力学过程控制的组分X_k的反应产物质量守恒方程，其典型书写形式为：

其中，i为烧蚀气体产物组成X₁′,X₂′,…,X_i′的编号；j为化学反应K₁,K₂,…,K_j的编号；k_j为反应K_j的正向反应速率常数；ρ_eu_eC_M为气体来流质量扩散流率；n_jc、M_c分别为与反应速率常数k_j定义相关的组分计量系数和摩尔质量；n_ji为反应K_j中组分X_i′的计量系数；M_i为组分X_i′的摩尔质量；P_i为气体分压；n_fij、n_bij分别为反应物和生成物的反应计量系数；K_p为化学反应标准平衡常数；Y_iw，Y_ie，Y_ip分别为组分X_i′在材料表面、边界层外缘及热解气体中的质量分数；B_c为材料的无因次质量烧蚀速率；B_p为无因次热解气体引射速率。