›› 2015, Vol. 35 ›› Issue (1): 66-74.doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2015.01.009

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一种新的烧蚀热响应算法在质量估算中的应用

王俊1,杨洋2,周毅1,柴秀丽1   

  1. (1河南大学计算机与信息工程学院,开封475004) (2漯河职业技术学院,漯河462000)
  • 收稿日期:2014-04-22 修回日期:2014-09-02 出版日期:2015-02-25 发布日期:2015-02-25
  • 作者简介:王 俊 1981年生,2013年获华南理工大学控制理论与控制工程专业博士学位,讲师。研究方向为容错控制、网络优化控制、气动热烧蚀算法。
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(61304132),河南省基础与前沿技术研究项目(132300410475)资助项目

ApplicationofaNewAblationThermalResponseAlgorithminMassEstimation

WANGJun1, YANGYang2, ZHOUYi1, CHAIXiuli1   

  1. (1InstituteofImageProcessingandPatternRecognition,HenanUniversity,Kaifeng475004)(2LuoheVocationalandTechnicCollege,Luohe462000)
  • Received:2014-04-22 Revised:2014-09-02 Online:2015-02-25 Published:2015-02-25

摘要: 针对预测飞行器再入过程中气动热流引发的烧蚀热响应导致热防护罩表层材料质量损耗的问题,研究了热防护罩的几何模型和烧蚀质量估算的方法,通过建立三自由度再入轨迹动力学方程,应用修正的牛顿流体理论计算气动系数,以及Detra-Kemp-Riddell和Tauber-Sutton理论计算驻点热流密度和热辐射,利用一维非线性热传导方程模拟了碳化材料的烧蚀过程,提出了基于Newton-Raphson和TDMA的烧蚀热响应算法估计飞行器热防护罩质量损耗的方法。通过分析,实现了再入全过程热防护材料烧蚀深度连续动态变化的预测,能够有效替代热平衡积分法,估算的烧蚀质量为优化热防护罩的几何模型和再入轨迹提供了参考依据。

关键词: 烧蚀热响应, 热防护罩, 再入飞行器, 质量损耗, 有限元

Abstract: Themasslossesofheatshieldsurfacematerialssubjecttotheablationthermalresponseresultingfromaerodynamicheatfluxcanbeefficientlyestimatedinthereentryprocess.Ageometricmodelandablationmassestimationmethodofheatshieldswasstudied.Thethreedegreeoffreedom(3DOF)reentrytrajectorydynamicsequationwasestablished.ThemodifiedNewtonianflowtheory,Detra-Kemp-RiddellandTauber-Suttontheorywereadoptedrespectivelytocalculatetheaerodynamicparameters,stagnationheatfluxandheatradiation.Aone-dimensionalnonlinearheatconductionmodelwasemployedtosimulatetheprocessofcharringmaterialablation. BasedontheNewton-RaphsonandTDMAablationthermalresponsealgorithm, anapproachwaspresentedtoestimatethemasslossesofvehicleheatshields. Theresultsofablationpredictionshowthatthecontinuousdynamicchangeofthesurfacematerialdepthcanberealizedbyanalyzingtheablationthermalresponsealgorithm.Thepresentedapproachcanbeanavailablesurrogateofheatbalanceintegral(HBI)method.Theestimatedablationmasscanhelptooptimizethegeometricmodelofheatshieldsandreentrytrajectory.

Key words: Ablationthermalresponse, Heatshield, Reentryvehicle, Masslosses, Finiteelementmethod