关键词:
机织复合材料
树脂基
辐射输运
机器学习
热防护模型
摘要:
高超声速飞行器在执行深空探测任务进入行星大气层的过程中,会遭受严重的气动热作用,需要热防护系统保障飞行器正常飞行。与对流热流不同,辐射热流能够直接加热材料内部,产生不同热解烧蚀现象。大多深空探测任务面临的热环境中辐射热流数值和占比高,如金星探测任务驻点区域辐射热流数值可达50MW/m2,占比可达50%。树脂基机织复合材料是深空探测任务中热防护系统最有前景的候选材料之一,易于通过设计编织结构、调整物性参数,满足不同任务要求。然而,目前忽略内部辐射、过分依赖设计余量的设计方法不利于热防护系统设计,树脂基机织复合材料在深空探测领域仍面临以下挑战:第一,现有模型对辐射热流下的树脂基复合材料热解烧蚀现象的预报能力不足;第二,树脂基机织复合材料自身辐射特性预报方法缺失,无法为热解烧蚀行为的模拟提供足够的输入参数;第三,树脂基机织复合材料中编织结构设计效率低下。针对以上问题,本文以树脂基机织复合材料为研究对象,在建立表面发射率和内部辐射系数预报方法的基础上,开展了机织复合材料辐射-烧蚀耦合模型与编织结构设计研究,为树脂基机织复合材料在深空探测领域的设计与应用提供理论指导和技术支撑。
针对树脂基机织复合材料表面辐射性能预报难题,基于材料表面结构、气体与辐射相互作用机制,对表面热辐射特性进行研究。建立气-固双相影响的机织复合材料表面发射率预报模型,探究了不同编织结构参数、气体组分、环境压强对表面发射率的影响规律。发现机织复合材料表面发射率由距表面一定深度的织物结构和其中气体共同决定,编织结构会增强表面发射率,在高压强下时表面气体进一步增强表面发射率。
针对树脂基机织复合材料内部辐射性能预报难题,基于材料内部编织结构与辐射相互作用机制,对机织复合材料的内部辐射特性进行了研究。开发了基于遗传算法的内部辐射性能等效算法,提出一种更准确的基于反射率-透射位置的等效收敛准则,实现了基于编织结构的宏观吸收系数、散射系数预报。分析了编织结构、纤维束发射率对机织复合材料内部辐射特性的影响规律,建立了含纤维束体积分数、纤维束发射率的机织复合材料内部辐射系数经验公式。发现机织复合材料中的内部辐射现象符合吸收-散射介质所表现出的宏观辐射行为,编织结构对内部辐射特性的影响可以降阶为纤维束体积分数单一变量的影响进行描述。
针对辐射环境下,树脂基机织复合材料使用传统热解烧蚀模型预报能力差的难题,引入材料中的内部辐射传递,将表面辐射拓展至体积辐射,考虑机织复合材料热解、烧蚀、流动和内部辐射等物理化学行为,提出辐射-烧蚀多场耦合模型。推导辐射传递方程的离散坐标有限体积法表示形式,建立了包含气体和固体的能量守恒、气体动量守恒、树脂热解、辐射传递、以及化学平衡假设下的表面烧蚀行为的材料响应模型。探究了不同热流条件、不同吸收系数和散射系数下材料热解烧蚀响应规律。低吸收系数和低散射系数在辐射热流下加剧内部升温和炭化,而高吸收系数或高散射系数在对流热流下使表面温度升高、热解区域向表面集中。进一步分析表明,辐射热流占比对热响应至关重要,高辐射热流占比显著提高材料温度和热解程度,同时增强表面辐射强度,且表面烧蚀后退量减小。
针对机织复合材料编织结构设计效率低下问题,提出一种机器学习加速的灵敏度分析及多目标优化编织结构设计框架。建立等效发射率、导热系数、密度参数-性能数据集,进行机器学习模型训练并加速敏感性分析和编织结构优化设计。发现该设计框架使用“稳健边界”才能获得正确的帕累托前沿。该设计方法对比传统的基于有限元的优化设计方法,可节约大量计算成本。阐明了编织结构参数和组成材料本身热物理性能对机织复合材料宏观热物理性能的影响规律。优化结果表明,为了实现机织复合材料的高发射率、低导热、低密度要求,进行编织时纬纱和法向纱应使用大丝束,而经纱应使用小丝束。