开发背景
飞行器在大气层内做超声速或高超声速飞行时，由于飞行器与环境气体之间存在巨大动能差以及气体黏性的作用，环境气体会对飞行器表面产生剧烈的加热作用，这种现象称为气动加热。以6马赫飞行的高超声速飞行器的前端天线罩锥部的瞬时热流密度可高达1.2MW/㎡，驻点温度将超过1200°C。航天飞机穿越大气层时其机体、机翼、垂尾等大部分区域的温度在750°C~1450°C之间，前锥端部和进气道等部位甚至会出现接近1800°C的驻点温度。如此极端恶劣的高温热环境条件，使得高声速飞行器材料和结构的热防护和热强度问题成为事关研制成败的关键问题。
飞行器设计初期进行气动热环境评估中，通常以“冷壁热流”载荷作为设计输入。冷壁热流假设结构表面在受气动加热时表面温度恒定于热力学温度零度不变，它剥离了材料响应及其与环境的耦合作用，单纯依靠气动热计算得出。
热壁热流是考虑了结构热响应的结构净吸收热流，通过气动加热（冷壁热流、压强、恢复焓等）和结构瞬态温度场实时耦合计算得出，其中外壁表面温度会随着加热时间的改变而不断变化，形成所谓“热壁”，而这种不断变化的冷壁边界条件以及复杂耦合关系，使得热壁热流的计算变得很困难。
开发过程
为解决飞行器的气动热环境仿真和热防护方案评估，优解未来团队在自主研发的新一代国产工业软件OptFuture上线了冷壁-热壁热流高效实时仿真功能，对标某国外商业CAE软件计算结果，OptFuture计算结果与“预期值”基本完全吻合，足可验证冷壁-热壁热流功能的正确性和可靠性。
验证案例
图1 石英盖板一侧表面的冷壁热流和环境辐射示意
在OptFuture软件进行瞬态热仿真分析，求解得到的2mm石英盖板在500秒的温度云图（沿着板厚方向）如图3所示，分析图1可知，在面内材料和边界条件都是均匀的，在厚度方向受冷壁热流和环境辐射影响，因此沿着板厚方向将出现温度梯度，图3的结果刚好符合该问题的物理规律。图4给出了5mm石英盖板在500秒的温度云图，同样沿着板厚方向，规律与2mm盖板类似。
图4 5mm薄板温度分布
3.2 与国外某商业软件对比
图5 2mm薄板冷壁热流计算结果对比
图6 5mm薄板冷壁热流计算结果对比
结论