西门子导弹尾喷管热烧蚀优化分析.pdf
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气体物理—理论与应运
PHYSICS OF GASES－THEORY AND APPLICATIONS
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收稿日期：2010-07
论文研究方向：流体机械
参考文献数量：9
导弹尾喷管热烧蚀优化分析
樊小莉
（西门子工业软件（北京）有限公司，北京，100083）
摘
要：本文对尾喷管烧蚀问题进行分析，采用amaryllis进行烧蚀分析的流程和方法计算了尾喷管
金属基以及三层防热材料的不同组合的热防护对比。主要针对小型导弹尾喷管热防护问题，通
过Amaryllis作为仿真优化平台，对导弹尾喷管内侧针对不同热防护材料选择进行最优设计，结
果表明采用不同的热防护材料不同厚度不同防护层材料顺序的组合热防护结果不同，从而可以
很好地指导设计，有效减少试验次数。
关 键 词：热烧蚀；尾喷管；热防护
中图分类号： 稿件编号：
The Research and application on Amaryllis Simulation of the nozzle of missile
Abstract: In this paper, main problem is about the ablation thermal protection and study on the phase
ablation, chemical ablation and hybrid ablation phenomena. Select reentry vehicles as the research object,
using LMS software Samcef Amaryllis as an analytical tool, simulated a phase ablation, chemical ablation
and hybrid ablation calculations. We got the temperature distribution of the ablation, and the density
distribution, burning compared before and after the eclipse shape distribution. The calculation results are
reasonable, can be widely used in the ablative thermal protection design, analysis and optimization.
Key words: ablation；moving mesh
引言
人们知道弹头是导弹所携带的毁伤目标的专用
装置。弹头结构一般由端头（鼻锥）、上下壳截锥
体、天线窗和底遮板等组件组成。弹道导弹弹头
再入大气层时，其速度高达每秒7km左右，同时
会产生极端严重的气动力、气动热和极其复杂
的物理现象。弹头飞行的马赫数大于20，雷诺数
大于108，滞止温度达8000～10000℃，弹头锥体
表面温度也在3500℃左右，驻点压力超过10MPa
，驻点焓值达7000
cal/g。其轴向过载大于40g，气动噪声大于140d
B。在上述环境下飞行，由于高温的作用，可能使
整个弹头烧毁或大面积烧损；由于高压和高过载
的作用，可能使再入弹头结构破坏甚至完全解
体；由于不对称的烧蚀会造成飞行不稳定，使弹
头落点散布面增大。
美国早期的宇宙神（Atals）、大力神（Titan）、雷
神（Thor）导弹弹头是采用热沉式技术，即采用
热容量大、比热容高的金属如钨、钼、铜制作弹
头的锥部，以吸收大量的气动热而防止熔化。由
于这些材料密度大，使弹头结构笨重，吸热量不
够大，故这种技术很快就被淘汰了，随后出现了
烧蚀型防热方法。先进的战略导弹的弹头端头，
目前一般采用细编穿刺三向碳/碳复合材料。与
先前采用的模压玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛复合
材料相比较，其烧蚀机理有着本质上的区别，它
主要利用材料在高温下升华吸热和辐射散热机
制，以小得多的单位材料质量消耗来带走更多
的热量。因此，既能缩小弹头端头的钝度，又能
保持弹头烧蚀外形，有利于提高弹头的再入落
速和命中精度。由于采用细编穿刺工艺，使碳/
碳材料的密度提高，进一步改善了端头的烧蚀
性能。
弹头再入大气层，会遇到不利天气，即云、
雾、雪甚至冰雹等；空气中亦存在着尘埃，这些
固态或液态的水汽凝聚物粒子，大小不等，粒度
从几微米到几毫米，通常分布在12km以下的大
气层中，称为粒子云。当弹头穿越粒子云时，使
已在烧蚀中的弹头防热材料受到粒子群的撞击
，大量的端头防热材料会被侵蚀掉，出现附加的
质量损失，从而改变端头的形状和气动特性，影
响弹头的落点精度。
导弹在高速飞行时，高速空气绕过飞行器
表面，由于气体粘性的阻滞作用，会使飞行器表
面（特别是前缘）温度有明显的提高，气动加热
问题成为飞行器气动和结构设计必须考虑的一
个问题。必须考虑物面气流与材料化学性质的
相互作用，物面上气流的气动加热，使材料发生
熔化、离解、氧化、蒸发、升华以及材料内部各
组成之间的同相或异相反应，例如硅基复合材
料的碳-
硅反应，这些反应的产物注入边界层，又反过来
改变边界层的温度和速度分布特性，产生所谓
的热阻塞效应，即质量引射到边界层内，会使物
面气动加热减少。
1 热烧蚀分析的方法
首先需要确认的是不同的热防护材料，烧
蚀机理是不同的，在整个计算过程中对于总的
能量平衡方程需要计算的方程项不同，针对所
里现在关心的金属基材料和陶瓷基材料分别介
绍计算流程。对于金属基材料，烧蚀的组成包含
相变、氧化和冲刷，所以在软件里总的平衡方程
要包含化学变化方程：
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