空天飛機熱防護結構材料的仿生研究.pdf

1、本文首先介紹了以美國為主的國外空天飛機可重復使用熱防護系統(tǒng)(Reusable Thermal Protection System，RTPS）的發(fā)展概況，包括該系統(tǒng)研究與開發(fā)的難點、溫度區(qū)域的劃分、防護的措施、材料的選用、兩代RTPS的對比以及X-37B采用的新理念、新材料等。在此基礎上，根據(jù)我國空天技術的特點和水平，探尋我國 RTPS技術的發(fā)展模式。據(jù)此，本研究結合該系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，歸納出RTPS的相關需求，并來確定本課題的研究內(nèi)容和技

2、術路線。
　　根據(jù)空天飛機熱防護系統(tǒng)的特殊需求，本研究運用仿生的理念，提出了適用于低溫、中溫和高溫條件的多種結構模型。然后，選用適當?shù)脑牧?，運用纖維纏繞、模壓粘結、機械加工、電切削、擴散焊、電沉積、電阻焊、纖維編織等各種工藝手段成功實現(xiàn)了五種樣品的制備，通過對它們的力學和熱學性能的測試與分析，得出相應的結論。
　　根據(jù)東方龍虱鞘翅的微觀結構，提出了雙向方形管的碳纖維－芳綸紙的仿鞘翅結構。然后，采用纖維纏繞和模壓粘結成型的方

3、法制備了相應的樣品。力學測試表明，這種夾層結構材料的抗壓能力為同密度的芳綸紙蜂窩夾層結構材料的1.83倍。水浴測試結果表明，該結構材料隔熱性能優(yōu)良。此外，該結構材料的力學及熱學FEM分析結果與測試結果具有較好的一致性。
　　在建立一種簡單規(guī)則的多孔結構模型之后，本研究采用電阻焊和電沉積的綜合手段實現(xiàn)了金屬線條格柵樣品的精確制備。力學性能測試結果表明，樣品力學性能的數(shù)值非常集中，相對于同類型的泡沫金屬，它力學性能的離散度明顯要小得多

4、。由于結構規(guī)則、簡單，金屬線條格柵材料的力學性能可以通過 FEM分析快速預測。在基體材料和密度相同的多孔金屬中，鎳線條格柵結構的強度屬于中等水平。
　　通過改進金屬線條格柵，用金屬管代替金屬線條，設計出規(guī)則的金屬管制格柵結構的模型，并采用電切削、機械加工和電沉積的綜合方法成功實現(xiàn)了樣品的制備。力學性能測試結果表明，結構規(guī)則的金屬管制格柵樣品不僅力學性能數(shù)值比較集中，而且它的比強度提高顯著。與金屬線條格柵相比，它的抗壓比強度提高了5

5、2％。金屬管制格柵力學性的FEM分析也同樣方便、快捷。在基體材料和密度相同的多孔金屬中，鎳管格柵材料的強度屬于中上水平。
　　通過對蓮蓬結構的觀察、抽象和組合，建立了蓮窩(蓮蓬中用于容納蓮子的部分)偶合結構的模型，并采用機械加工、電阻焊和電沉積的綜合手段進行了多孔金屬樣品的制備。力學測試結果表明這種樣品在結構和性能上存在一些缺陷，并且存在缺陷的區(qū)域可以通過 FEM分析確定了，改進方案也可以相應得到。模型結構和加工工藝的略微變化，使

6、得改進型樣品也順利實現(xiàn)了制備，達到了預期的效果。測試數(shù)據(jù)表明，因為兼有開孔和閉孔結構的優(yōu)點，所以這種金屬結構材料既具有良好的主動散熱性，又具有很高的力學性能。在同類型的多孔金屬中，該多孔金屬比強度處于優(yōu)等水平。此外，熱學分析表明該結構在單面受熱、內(nèi)腔通風時，具有均勻的導熱性和優(yōu)良的主動散熱性。
　　通過分析X-37B頭錐的材料種類、結構設計和分片布置的特點，提出六邊形拓撲方式和孔壁蜂窩單元結構。經(jīng)過單元結構的梯度設計、C-SiC-