[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

说明书

多组分防热材料多反应机制控制下的烧蚀速率确定方法，提出了两种或两种以上组分组成的防热材料在动力学氧化反应、平衡氧化反应、升华反应及其他化学反应等多反应机制共同控制下的烧蚀速率通用化确定方法。该方法对任意材料组成成分、任意来流气体组分均适用，具有数值计算量小、分析效率高、研究成本低的特点，可成为材料防热性能评估及防热层厚度设计的可靠工具。

技术领域

本发明属于飞行器热防护设计领域，具体涉及多组分防热材料多反应机制控制下的烧蚀速率确定方法。

背景技术

针对弹道式再入弹头热防护问题，基于经典热化学烧蚀理论、模型与预测方法，较好地解决了其防热设计与评估问题。未来高超声速飞行器具有长时间飞行和升力体外形特征，面临变化历程更为复杂、物理效应更为多样化的气动加热环境及高精度、高准度的防热预测需求，防热材料也向多组分体系发展，经典烧蚀计算方法难以适用。气动加热环境下多组分防热材料烧蚀速率的理论预测，对于材料防热性能评估及飞行器防热设计具有重要意义。

目前的热化学烧蚀预测方法，主要针对单一组分为主要成分的防热材料体系，并针对材料组分在不同温度、压力环境下的主要反应机理，进行材料烧蚀速率的计算分析。例如对于碳/碳复合材料，在相对低温条件下以动力学反应为主，主要考虑受化学反应速率限制的烧蚀过程；随着温度的升高，材料的烧蚀过程会受表面边界层气体扩散速率影响，受扩散至材料表面的氧流量控制；在更高温度环境下，材料中的碳元素会出现升华现象，材料烧蚀速率的增加主要受升华速率控制。但对于多组分防热材料，各个组分在不同温度、压力及气体分压条件下的反应机制各不相同且存在多种反应机制的相互耦合影响，现有方法难以对其烧蚀行为进行理论预测。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于确定多组分防热材料多反应机制控制下的烧蚀速率的理论方法。

本发明的技术解决方案是：多组分防热材料多反应机制控制下的烧蚀速率确定方法，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；