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第1章 概论1

1．1 概述1

1．2 再入飞行器热环境和热防护问题4

1．2．1 再入气动加热4

1．2．2 再入轨道7

1．2．3 气动热和防热的地面研究与试验9

1．3 高超声速流基本概念11

1．4 高温空气热化学基本知识16

1．4．1 常态大气组分16

1．4．2 高温空气平衡组分18

1．4．3 高温空气的化学非平衡20

1．4．4 高温空气化学反应与飞行速度-高度关系22

1．5 热力学基础23

1．5．1 气体热力学状态的描述23

1．5．2 热力学第一定律27

1．5．3 热力学第二定律29

1．5．4 统计热力学几个基本概念30

1．6 高超声速气动加热基本知识37

1．6．1 传热的基本形式37

1．6．2 高超声速气动加热形式39

1．6．3 壁面状态对气动热影响41

1．7 再入飞行器热防护技术简介42

1．6．4 不同流态的气动热42

参考文献45

第2章 再入飞行器热环境计算46

2．1 概述46

2．2 高速边界层传热47

2．2．1 边界层中基本传热形式47

2．2．2 边界层传热51

2．3 再入弹头热环境77

2．3．1 零攻角再入弹头热环境77

2．3．2 有攻角弹体热流密度103

2．4 返回舱热环境107

2．4．1 返回舱的外形和热环境108

2．4．2 返回舱特征点热环境工程预测方法109

2．5 航天飞机热环境116

2．5．1 机身迎风面热环境117

2．5．2 机翼前缘驻点线上热环境120

2．5．3 机翼迎风面热环境122

2．5．4 背风面分离区热环境123

2．6 稀薄气体加热125

2．6．1 流动区域的划分125

2．6．2 自由分子流加热126

2．6．3 过渡区流动加热128

2．7 化学非平衡加热131

2．7．1 冻结边界层的壁面催化特性132

2．7．2 冻结边界层壁面加热134

2．8 热环境的数值计算136

2．8．1 轴对称湍流边界层方程的有限差分解136

2．8．2 高温气体变熵边界层的处理151

2．8．3 三维湍流边界层方程数值计算方法152

附录A 差分方程中的系数167

附录B 有限差分关系和线性化方法169

附录C 高温气体变熵边界层外缘速度的确定方法171

参考文献174

3．1 概述176

第3章 再入飞行器热环境地面试验176

3．2 飞行器热环境地面试验技术177

3．2．1 试验设备177

3．2．2 试验模型178

3．2．3 模型表面热流测量技术179

3．2．4 气动热环境试验中的辅助测量182

3．3 模型表面热流测量基本原理182

3．3．1 两层介质中的热传导182

3．3．2 一维半无限介质中热传导184

3．3．3 衬底材料的厚度187

3．3．4 涂层的影响189

3．4．1 薄膜传感器的基本构成及材料选择191

3．4 薄膜传感器技术191

3．4．2 薄膜传感器的制作工艺193

3．4．3 薄膜传感器的标定194

3．4．4 薄膜传感器的应用196

3．5 红外热图技术200

3．5．1 红外成像原理和热像仪200

3．5．2 红外测温影响因素分析202

3．5．3 红外热图试验方法206

3．5．4 红外热图技术应用示例208

3．6 相变热图技术210

3．6．1 相变热图的试验方法210

3．6．2 模型材质212

3．6．3 相变涂层及相变温度标定213

3．6．4 数据处理213

3．6．5 相变热图试验结果示例216

3．7 薄壁量热计技术217

3．7．1 工作原理217

3．7．2 模型和测温元件及其连接219

3．7．3 防护装置219

3．7．4 测量系统220

3．7．5 数据处理220

3．7．6 误差分析220

参考文献221

第4章 弹头烧蚀防热222

4．1 概述222

4．2 端头烧蚀计算223

4．2．1 端头热环境特点223

4．2．2 两类端头热防护材料223

4．2．3 两类热防护机理224

4．2．4 硅基复合材料的烧蚀计算237

4．2．5 碳基复合材料的烧蚀计算240

4．2．6 烧蚀外形计算246

4．3．1 锥身热环境特点及热防护材料248

4．3 锥身烧蚀计算248

4．3．2 碳-酚醛复合材料的烧蚀机理249

4．3．3 碳-酚醛复合材料的烧蚀与热响应计算252

4．4 电弧加热器自由射流烧蚀试验技术257

4．4．1 自由射流试验装置258

4．4．2 试验参数测量260

4．4．3 自由射流试验的应用269

4．5 电弧加热器湍流平板烧蚀试验技术277

4．5．1 湍流管试验技术278

4．5．2 超声速湍流平板烧蚀试验技术278

4．6 亚声速包罩烧蚀／测力试验技术281

4．6．1 试验装置282

4．6．2 参数测量283

参考文献284

第5章 飞船返回舱烧蚀防热286

5．1 概述286

5．2 飞船返回舱的热防护机理探讨288

5．3 碳化复合材料热防护计算291

5．3．1 碳化复合材料的烧蚀机理291

5．3．2 热防护计算的物理模型293

5．4 碳化复合材料烧蚀与热响应计算294

5．4．1 三种模型的基本方程294

5．4．2 标准方程的差分离散299

5．4．3 标准方程的初始条件与边界条件301

5．4．4 表面烧蚀计算与进入材料内部净热流密度qN的确定302

5．4．5 热解气体质量流率mp和各层厚度的确定303

5．4．6 计算结果与实验测量结果的比较306

5．5 返回舱防热材料试验技术310

5．5．1 钝楔试验技术的基本原理311

5．5．2 试验参数测量313

5．5．3 钝楔试验技术应用314

5．6 返回舱局部结构试验技术315

5．6．1 半椭圆喷管315

5．6．3 局部防热结构试验316

5．6．2 局部防热结构试验参数测量316

参考文献317

第6章 再入弹头粒子云侵蚀319

6．1 概述319

6．2 粒子侵蚀的相似规律及实验模拟问题320

6．2．1 粒子侵蚀环境320

6．2．2 粒子侵蚀的相似规律321

6．2．3 粒子侵蚀实验模拟问题324

6．3 天气剖面327

6．4．1 粒子云撞击特性334

6．4 粒子侵蚀机理分析334

6．4．2 粒子侵蚀热增量342

6．4．3 天气粒子在激波层中的质量损失和速度衰减规律347

6．5 抗侵蚀系数CN和质量侵蚀比G的确定352

6．5．1 实验数据相关法352

6．5．2 理论方法355

6．6 地面实验的相关性分析360

6．7 粒子云侵蚀数值仿真和算例分析362

6．8 自由飞弹道靶雨滴侵蚀试验技术368

6．8．1 试验系统368

6．8．2 试验模型370

6．8．3 数据采集与处理371

6．8．4 典型的试验结果373

6．9 电弧加热器侵蚀／烧蚀耦合试验技术374

6．9．1 试验设备375

6．9．2 参数测试技术376

6．9．3 粒子数密度测量380

6．9．4 应用381

6．10 模型自由飞粒子云侵蚀试验技术381

6．10．1 侵蚀试验火箭研制382

6．10．2 天气环境测量385

6．10．3 试验靶场选取386

6．10．4 飞行试验386

参考文献386

7．1．1 提高气动热预测水平388

第7章 发展与展望388

7．1 概述388

7．1．2 复杂外形飞行器和星球探测器的气动热和热防护389

7．1．3 新一代高超声速飞行器的气动热和热防护390

7．1．4 非烧蚀防热技术390

7．2 航天飞机轨道器热防护试验391

7．2．1 电弧加热风洞和设备392

7．2．2 高温热结构风洞393

7．2．3 辐射加热设备394

7．3 防热试验技术展望394

参考文献397