[科普中国]-高超音速传热

基本概念高超音速

高超音速是指物体的速度超过5倍音速（约合每小时移动6000公里）以上。高超音速飞行器主要包括3类：高超音速巡航导弹、高超音速飞机以及空天飞机。

传热传热是热能从高温向低温部分转移的过程。从本质上来说，只要一个介质内或者两个介质之间存在温度差，就一定会发生传热。物体的传热过程分为三种基本传热模式，即: 热传导、热对流和热辐射。传递热量的单位为J（焦耳）。在某些环节上，传热技术及相关材料设备的研制开发甚至成为整个系统成败的关键因素。

耐热合金蜂窝蜂窝夹芯结构是一种先进的轻质结构型式，在火箭整流罩、飞机机身、航空发动机短舱、现代卫星等航空航天结构件中得到广泛应用，也成为高超音速飞行器和新一代可重复使用运载器热防护系统面板的理想方案。耐热合金蜂窝夹芯结构用作热防护系统面板，进行设计时必然涉及传热分析。由于蜂窝芯体的几何不连续性，导致其内部传热模式相当复杂，包括金属胞壁的固体导热、蜂窝腔体内的气体导热，以及蜂窝上下面板间的辐射换热等几种不同模式。热分析时，如果对蜂窝芯体和其内部的传热模式进行详细建模将使分析模型过于复杂，通常期望将蜂窝芯体等效为连续的实体，采用蜂窝芯体的宏观等效热导率进行传热分析。

文献1针对Hastelloy X耐热合金蜂窝夹芯结构开展了稳态传热实验,通过控制加热板温度,获得了一组热平衡时蜂窝夹芯结构的热、冷面温度,结合Stefan-Boltzmann定律和大空间自然对流实验关联式,采用热阻分析方法得到了Hastelloy X耐热合金蜂窝随温度变化的宏观等效热导率,并采用Swan-Pittman半经验模型预测了该蜂窝的等效热导率,与实验结果对比一致性较好. 温度越高，耐热合金蜂窝夹芯结构的隔热效果越好，耐热合金蜂窝的等效热导率比胞壁材料的热导率小一个数量级。

高超音速NS方程目前，世界航天发达国家都在致力发展完全可重复使用运载器，其中关键是可重复使用热结构。由于相似性和成本等原因，在先期研究中常采用计算机模拟，以弄清结构在强烈气动加热下的热响应情况。这是典型的高超音速气动加热与结构热响应耦合问题，国际上目前在沿再入轨道研究此类问题中常采用松耦合方法，即在几个给定轨道点上进行迭代，以确定气动热与表面温度的变化关系；在工程计算中，通常沿轨道给定表面冷壁热流，实际计算中按表面温度再作热壁修正．事实上，由于再入过程中强烈的气动加热，使再入体表面温度发生迅速的变化，这会对表面气动加热带来影响，采用上述的松耦合计算就存在较大偏差。

文献2在以往对类前缘防热层热响应计算分析基础上,进一步研究实现了外流场高超音速NS方程数值计算表面气动加热与防热层结构热响应的耦合计算,这对于常用的非耦合计算方法来说是一进步,也为进一步开展外流场/结构热响应/热应力全耦合一体化计算研究和防热层表面吹气强化传热问题的场协同研究打下了基础. 刚开始受到加热时，防热层内温度变化主要沿防热层厚度方向；在加热较长时间后，沿厚度方向变化很小，温度主要沿弧长方向变化．耦合条件下的气动加热量要受到结构热响应造成的温度变化的影响．

机载IRST系统在“全球快速打击计划”的推动下，各军事强国致力于高超音速飞行器的研制。高超音速飞行器是指速度在5Ma以上，其突防能力强，是在1h 内攻击地球任意位置目标的新武器，这对我国防空体系构成严重威胁，因此对高超音速飞行器的探测研究具有重大意义。由于目前雷达探测的局限性，机载 IRST（Infrared Searchand Track）系统作为一种“被动式雷达”，其良好的隐蔽性、抗电磁干扰和远距离探测能力的诸多优点使得 IRST 系统在战场上发挥着重大作用。

针对高超音速飞行器不同于低速飞行器的红外辐射特性，文献3提出了机载IRST系统红外探测高超音速飞行器的建模方法。重点利用高温边界层传热理论建立了高超音速飞行器蒙皮辐射特性模型，分析了排气系统和环境背景辐射特性，根据不同高度下大气层结构分布对红外辐射传输的影响，建立了大气斜程透过率模型，提高了透过率计算的准确性；考虑环境背景辐射的影响，给出了IRST系统对高超音速飞行器的作用距离模型。最后通过仿真实验分析了不同季节、高度和目标仰角下大气透过率特点，分析了不同仰角、速度和波段等因素下探测器对高超音速目标红外作用距离的影响，结论论证了所建模型的实效性。

气体对撞加热常规气体加热都是利用热传导、对流、热辐射将热量首先传递给发热体表明附近的气体，再通过对流换热逐步使气体温度升高。要使气体整体达到所需的温度，需要一定的传热时间。用温差加热方式加热时，为提高加热速度，就需要升高外部温度，加大温度梯度，从而也增大了热损失。而内通道高速气体的对置撞击的加热方法是把高速压缩空气的一部分动能和压能直接转化为其内能（热能），故可在短时间内加热。

发明专利4公开了一种超音速气体对撞式加热装置及加热方法，加热装置包括由隔热管道制成的两段对向的先缩后扩的变截面进口气流通道、两段背向出口气流通道，出口气流通道垂直于进口气流通道，并且通道的截面积大于进口气流通道的截面积；进口气流通道和出口气流通道连接处为气体对撞区，气体对撞区中心设有导热性能良好的传热部件。将压缩空气从两段相向进口气流通道送入，气流在进口气流通道中加速至超音速，然后在气体对撞区发生碰撞，使得气体温度迅速升高后通过背向出口气流通道流出，对撞区中的传热部件传递热量到与其连接的外围装置中对所需要加热介质进行加热。本发明具有结构简单、制造成本低、加热速度快、节能高效、清洁卫生等优点。