靳旭红,黄飞,程晓丽,苏鹏辉,*

1. 中国航天空气动力技术研究院,北京 100074 2. 清华大学 航天航空学院,北京 100084 3. 中国航天科技集团有限公司 航天飞行器气动热防护实验室,北京 100074

航天器再入过程之初,速度通常高达数十千米每秒。因此,在再入过程中,航天器与地球大气产生剧烈的摩擦,一方面使其速度降低到着落速度,另一方面却导致其外表面温度高达1 700 K,这个温度远远超过不锈钢的熔点[1]。因此,为了保护航天器外部表面和内部设备,热防护系统至关重要。比如,航天飞机表面一般都覆盖了超过32 000片防热瓦,这些防热瓦通常以对齐或者交错的方式相连,不可避免地产生了防热瓦缝隙[2]。

此外,制造公差、传感器安装、非相似材料的不均匀膨胀或烧蚀等诸多原因也会导致航天器表面存在缝隙和缺陷等凹腔结构[3]。航天器表面凹腔结构的存在会影响其流动状态和传热特性：首先,凹腔入口处产生边界层分离和再附,导致局部热流升高；其次,凹腔干扰可增加湍流度,促进边界层转捩,导致整个表面的热流增加；最后,由于凹腔狭小,辐射散热效应被阻塞,即使凹腔内热流很低,也可能产生较高的凹腔表面温度[4]。因此,表面凹腔的存在对局部热防护系统会产生重要的影响,甚至导致局部防热结构的破坏[5]。

然而,在热防护系统热载荷的计算和分析中,出于简化问题的考虑,通常假设航天器具有光滑连续的表面。根据哥伦比亚航天飞机事故调查委员会……