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