3.21 近空间高超声速飞行器材料/结构一体化、防/隔热一体化研究、超高温氧化环境下高温热防护材料与...
本项目通过多学科交叉、优势互补，重点解决了材料/结构一体化、防/隔热一体化中的关键共性问题，建立了高温热防护材料与结构的多参量实验集成方法和技术。在材料设计、性能测试与表征方面，设计不再限于微细观、宏观，开始从原子、分子出发，从基于材料限制设计结构，到基于结构需求设计材料，由单一的承载结构、防热结构发展到防热/承载一体化以及多功能一体化设计。在测试与表征中，更加关注高温测试方法的科学性与有效性、复合材料组分的高温测试和表征方法、高温复杂应力或组合载荷下性能测试方法、新型防热材料的高温性能测试方法等。分析方法更加注重多尺度/多物理场耦合、多物理场建模、高温气体效应、非确定性分析与虚拟试验等技术。主要得到以下结论。
①从材料和结构两个层次给出了不同材料性能和结构性能间的关联关系，综合考虑热防护系统材料的防/隔热性能，以热防护轻质化为出发点，建立了以单位面积质量为优化目标，以结构参数为优化变量，以完成服役过程中的各种功能为设计约束，分析了热防护综合性能响应影响规律，建立了防/隔热一体化设计和综合性能分析方法。
②协同研究了多目标多尺度设计与优化方法在热防护材料和结构设计中的应用问题，针对结构/防热一体化方案，以波纹夹芯、腹板加筋一体化热防护为主要研究对象，首先建立了一体化热防护结构尺寸优化设计模型，分析了一体化热防护结构极限状态响应特征；其次，以遗传算法为基础，建立了一体化热防护优化设计问题的求解方法；最后，利用这一方法，对腹板加筋一体化热防护优化问题进行求解，并与经典的波纹夹芯一体化热防护方案进行对比分析。建立了基于遗传算法的热力耦合协同优化方法以及基于拓扑优化的热防护系统热力耦合优化设计方法，给出了考虑热/力匹配的防热/传力/承载协同机制和设计方法。
③集成多项优势成果，发展了三类有代表性热防护方案设计方法和实现技术，解决了材料体系设计、结构连接、过渡、匹配和工艺实现等关键问题，并完成了设计验证与匹配性试验分析，为高超声速飞行器未来发展提供了新的技术途径。
④基于对典型热防护复合材料高温氧化环境力学行为的认识，发展和集成了多种高温和复杂载荷试验方法，从不同时间/空间尺度上建立热防护复合材料响应分析模型，发展和建立了高温结构热力响应和场信息的获取及表征方法，进一步揭示了材料热致损伤和失效、热力氧耦合机制。
⑤发展了多场耦合服役环境下的力/热/氧化等关键参量的实验技术，研发了模拟多场耦合服役环境下的测试系统与加载装置。研究成果为多场耦合服役环境下防热材料的性能表征、结构设计等提供了重要的实验支撑。
⑥在热/力耦合作用下材料渐进损伤分析的基础上，将考虑微细观结构特性、特性的细观分析模型嵌入宏观结构分析，解决了细观损伤演化和宏观性能的数据传递问题，建立了防热复合材料结构的多尺度分析方法，为实现材料在多物理场下的多尺度模拟提供手段和计算策略。
⑦研究了超高温复杂环境下防热材料的物理化学行为及失效机理，发现了气动热环境与超高温陶瓷材料的强耦合作用及其主控要素，获得了超高温陶瓷材料的氧化机制、性能预报和氧化抑制方法；利用超声微米计算机断层扫描（CT）实现了超高温陶瓷材料内部缺陷的高精度观测和定量化表征，提出了超高温陶瓷材料强韧化设计和实现方法，建立了适用于不同高超声速长时间非烧蚀服役环境需求的超高温陶瓷材料体系。
⑧在结构分析的建模与模拟过程中，对输入参数及物理过程本征的非确定性进行假设和近似，使得结构分析结果存在非确定性。与此同时，由于传感器精度限制获取的试验结果也存在一定的测量误差，试验条件的控制与理想条件存在一定的差异。从对现有服役环境、材料特性的随机性出发，将多尺度、不确定性等理论和方法引入防热材料与结构设计、优化与评价中，发展了非确定性分析方法，建立了基于可靠性指标的热防护系统优化设计方法，给出了失效概率和可靠性灵敏度，为优化设计提供了有力的支撑。