一种面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法技术

本发明专利技术涉及航天热防护领域，公开了一种面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法，包括以下步骤：步骤一、建立热防护材料性能高保真理论分析模型；步骤二、建立热防护材料防热/隔热/轻量化一体化协同设计参量；步骤三、建立热防护材料防热/隔热/轻量化一体化性能协同分析模型，形成热防护材料多功能协同设计平台；步骤四、针对下一代进入或返回再入高超声速飞行器面临的两类典型极端气动热环境，面向具体气动热载荷需求和热防护系统性能需求，采用搭建的热防护材料多功能协同设计平台设计出具有高热防护效能的热防护材料，实现满足飞行器应用环境与性能需求的新型多功能热防护材料按需定制。

【技术实现步骤摘要】
一种面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法
本专利技术涉及航天热防护领域，特别涉及一种面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法。
技术介绍
新一代深空探测、星际航行和返回再入等高超声速飞行器面临更加严酷的气动热环境(高焓、极高热流、高压等)，在高的有效载荷和有限空间的双重约束条件下，对热防护材料的防热能力、隔热能力和轻量化水平提出了严峻挑战。现有热防护材料在如此严酷工况下存在烧蚀后退严重、背面温升剧烈、重量冗余等问题，亟需提出基于防热/隔热/轻量化性能统筹考虑的新型多功能热防护材料设计方法，提升热防护材料防热/隔热/轻量化一体化协同设计能力，实现面向极端复杂应用环境和性能需求的热防护材料按需定制，推动热防护材料发展。目前，我国热防护材料设计和研发模式仍停留在“试错法”和半经验阶段，主要采用试验为主、数值分析为辅的技术手段，根据工程化模型单一热场的计算结果实施热防护材料设计，研发成本高昂并且周期漫长，缺乏对材料防热/隔热/轻量化协同性能的统筹考量，导致一体化热防护材料设计无据可依。如何实现面向极端环境的热防护材料多功能协同设计，提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、考虑极端环境下材料的真实物理化学过程，建立热防护材料性能高保真理论分析模型；/n步骤二、建立热防护材料防热/隔热/轻量化一体化协同设计参量；/n步骤三、将热防护材料性能高保真理论分析模型与多功能一体化协同设计参量有机结合，建立热防护材料防热/隔热/轻量化一体化性能协同分析模型，形成基于比效能因子的热防护材料全新设计方法，开发模块化计算机程序，形成热防护材料多功能协同设计平台；/n步骤四、针对下一代进入或返回再入高超声速飞行器面临的两类典型极端气动热环境，面向具体气动热载荷需求和热防护系统性能需求，采用搭建...

【技术特征摘要】
1.一种面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、考虑极端环境下材料的真实物理化学过程，建立热防护材料性能高保真理论分析模型；
步骤二、建立热防护材料防热/隔热/轻量化一体化协同设计参量；
步骤三、将热防护材料性能高保真理论分析模型与多功能一体化协同设计参量有机结合，建立热防护材料防热/隔热/轻量化一体化性能协同分析模型，形成基于比效能因子的热防护材料全新设计方法，开发模块化计算机程序，形成热防护材料多功能协同设计平台；
步骤四、针对下一代进入或返回再入高超声速飞行器面临的两类典型极端气动热环境，面向具体气动热载荷需求和热防护系统性能需求，采用搭建的热防护材料多功能协同设计平台设计出具有高热防护效能的热防护材料，实现满足飞行器应用环境与性能需求的新型多功能热防护材料按需定制。


2.根据权利要求1所述的面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法，其特征在于，步骤一中，极端环境下材料的真实物理化学过程包括基体热解与热解气体生成、热解气体流动、材料传热传质、基体热解与炭化、热解气体热阻塞效应、热防护材料表面烧蚀后退。


3.根据权利要求2所述的面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法，其特征在于，反映基体热解与热解气体生成的质量守恒方程为：



反映热解气体流动的动量守恒方程为：



反映极端环境下热防护材料基体热解与炭化、材料传热传质的能量守恒方程为：



反映热防护材料表面烧蚀后退的边界条件为：






式中：ρ、v、Π、K、μ、p、cp、T、k、φ、qcold、n、mC和ΔhC分别为体积分数、密度、速度张量、热解气体生成率、渗透率张量、粘性系数、压强张量、比热容、温度、导热系数张量、热阻塞系数、冷壁热流张量、材料表面法向单位向量、表面碳质量烧蚀率和碳燃烧热，下标g、s和Γw分别代表热解气体、固相材料和材料表面。


4.根据权利要求1所述的面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法，其特征在于，步骤二的具体方法为，根据具体弹道环境、飞行器有效载荷和防热层有限空间限制条件，结合具体应用案例的防热、隔热和轻量化性能需求，建立描述材料防热/隔热/轻量化协同性能的热防护效能函数，热防护效能函数是材料关键热物理性能、材料响应以及关键制造工艺参数的函数：
J＝f(热物性参数,材料响应,制造工艺)
在此基础上，提出能够全面评价新型热防护材料防热/隔热/轻量化水平协同性能的设计参量——比效能因子，定义为：单位面积质量内材料的热防护效能，即


5.根据权利要求1所述的面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法，其特征在于，步骤三中，热防护材料多功能协同设计平台由4个模块组成，分别为：(1)前处理与可视化模块，(2)材料性能数据库模块，(3)核心计算模块，(4)后处理与可视化模块。


6.根据权利要求5所述的面向极端环境的热防护材料多功能协同设计方法，其特征在于，所述前处理与可视化模块用于1)不同尺寸、形状特征的材料参数化建模；2)对材料几何模型实施结构化/非结构化网格划分；3)可视化显示复杂材料模型；所述材料性能数据库模块用于1)调用不同体系复合材料室温至高温热输运性能参数；2)调用不同体系复合材料室温至高温热力学性能参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玮洁，张中伟，黄杰，黄海明，梁军，董志超，
申请(专利权)人：北京交通大学，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11