碳/酚醛复合材料烧蚀行为预报方法

朱燕伟¹，孟松鹤¹，易法军¹，赵小光²，潘威振¹

1. 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所2. 中航沈飞民用飞机有限责任公司

摘 要：为研究用于钝头体高超声速飞行器热防护系统的碳/酚醛复合材料在典型服役环境下的烧蚀机制,首先,建立了烧蚀行为的数学模型,模型考虑了材料表面热辐射、固体相的温升吸热、基体热解反应吸热、高温热解气体引射、质量引射引起"热阻塞"效应、热解气体的温升和膨胀吸热等多种能量耗散机制,并利用有限元方法实现了数学模型的求解;然后,预报了在冷壁热流为400kW·m^-2、焓值为5MJ·kg^-1的气动热环境下碳/酚醛复合材料的烧蚀行为。结果表明:在受热过程中,厚度为20mm的碳/酚醛复合材料碳化层的深度持续增加,100s时的表面温度达到1 420K,背壁温度为346K,热解气体压力达10.3atm,碳化层深度为7.50mm。所得结论可为具有长时间大面积热防护需求的高超声速飞行器的热防护系统设计提供支持。

关键词：碳/酚醛复合材料;热防护;多物理场;烧蚀行为;有限元方法;