[发明专利]一种树脂基类防热材料的体烧蚀质量损失的确定方法

说明书

本发明公开了一种树脂基类防热材料的体烧蚀质量损失的确定方法，包括以下步骤：步骤S01：模拟防热材料在气动加热环境下受热的情形，对防热材料的传热、表面热化学烧蚀、内部树脂热解、热解气体流动引射进行解耦分析，获得体烧蚀过程模拟所需的参数；步骤S02：根据参数，通过防热材料内部的氧化气体组分扩散过程获得氧化气体浓度分布，根据不同部位的氧化气体浓度分布，以及防热材料的内部温度分布和防热材料的氧化动力学特性，获得不同部位的防热材料的体烧蚀质量损失率；步骤S03：重复步骤S01和步骤S02，直至气动加热结束，将不同时刻的体烧蚀质量损失率沿时间进行积分，得到防热材料在气动加热环境下的体烧蚀总质量损失。

技术领域

本发明属于飞行器热防护设计领域，具体涉及一种树脂基类防热材料的体烧蚀质量损失的确定方法。

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，面临复杂、多样化气动加热环境下的高精度、高准度防热预测需求，而抗氧化、轻质化是未来飞行器防热材料发展的重要方向之一。对新型低密度防热材料在复杂气动加热环境下呈现出的一些新的防热现象，如体烧蚀现象的研究，对高超声速飞行器防热材料性能评估及飞行器防热设计具有重要意义。

目前的烧蚀预测方法，主要针对烧蚀型防热材料在气动加热环境下的表面烧蚀行为规律进行模拟分析。例如碳基防热材料的热化学烧蚀模拟方法、以及硅基防热材料的表面液态层流失模拟方法等。但新型防热材料大多具有抗氧化、轻质化的特征，由于材料表面的烧蚀过程被抑制或减弱，材料表面大量剩余的氧化气体组分可能通过对流、扩散作用进入材料内部，引起材料内部成分的氧化并产生质量损失，造成材料密度下降，即气动加热环境下防热材料内部的体烧蚀现象。体烧蚀现象涉及材料多尺度传热、树脂热解、热解气体反应、跨尺度流动等多种物理化学过程的耦合，进行直接数值模拟的难度极大，现有的烧蚀理论方法体系无法适用。

因此，期待一种新的防热材料体烧蚀质量损失的计算方法，为气动加热环境下飞行器防热材料性能评估及飞行器防热设计提供一种高效、稳定的实施途径。

发明内容

本发明的目的是提出一种树脂基类防热材料的体烧蚀质量损失的确定方法，为气动加热环境下飞行器防热材料性能评估及飞行器防热设计提供一种高效、稳定的实施途径。

为了实现上述目的，本发明提供了一种树脂基类防热材料的体烧蚀质量损失的确定方法，包括以下步骤：

步骤S01：模拟所述防热材料在气动加热环境下受热的情形，对所述防热材料的传热、表面热化学烧蚀、内部树脂热解、热解气体流动引射进行解耦分析，获得体烧蚀过程模拟所需的参数；

步骤S02：根据所述参数，通过所述防热材料内部的氧化气体组分扩散过程获得氧化气体浓度分布，根据不同部位的所述氧化气体浓度分布，以及所述防热材料的内部温度分布和所述防热材料的氧化动力学特性，获得不同部位的所述防热材料的体烧蚀质量损失率；

步骤S03：重复所述步骤S01和所述步骤S02，直至所述气动加热结束，将所述不同时刻的所述体烧蚀质量损失率沿时间进行积分，得到所述防热材料在所述气动加热环境下的体烧蚀总质量损失。

作为可选方案，所述对所述防热材料的传热、表面热化学烧蚀、内部树脂热解、热解气体流动引射进行解耦分析包括：

步骤S11：根据所述防热材料的内部温度分布、树脂热解动力学特性、树脂热解程度，计算所述防热材料内部不同部位的热解气体产生率；

步骤S12：根据所述内部温度分布、不同部位的所述热解气体产生率进行热解气体流动计算，获得不同节点位置处的热解气体流动速度、引射气体质量流率以及引射气体化学成分；