典型蓋板防熱結(jié)構(gòu)性能分析與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著超音速和高超音速技術(shù)的發(fā)展，嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱使空天飛行器不可避免地遭遇“熱障”問(wèn)題。作為高超音速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)的主要功用便在于控制進(jìn)入飛行器的熱流，使飛行器主體結(jié)構(gòu)維持在所允許的溫度范圍內(nèi)。因此TPS的質(zhì)量、尺寸及隔熱性能將直接影響著飛行器的靈活性和可靠性。 本文以高超音速飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為工程背景，對(duì)目前得到廣泛研究和驗(yàn)證的被動(dòng)式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱分析和性能優(yōu)化。首先，介紹了目前高超聲速飛行器熱防

2、護(hù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，對(duì)已有航天器熱防護(hù)系統(tǒng)種類(lèi)、綜合布局進(jìn)行歸納總結(jié)，并以典型蓋板防熱結(jié)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行建模分析，包括外部高溫蓋板，內(nèi)部纖維隔熱層及底層飛行器結(jié)構(gòu)等，討論了纖維材料內(nèi)部輻射、氣體傳導(dǎo)、固體傳導(dǎo)的耦合傳熱機(jī)理，建立瞬態(tài)傳熱條件下的控制方程和邊界條件，分別采用相繼離散差分法、耦合離散差分法及有限元素法對(duì)控制方程進(jìn)行空間和時(shí)間上的離散，得到相應(yīng)的溫度場(chǎng)計(jì)算公式。在分析過(guò)程中熱邊界的處理遵循飛行器典型再入輻射等效溫度和壓力曲線。由于在

3、熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中內(nèi)部隔熱層占據(jù)了大部分體積，其主要作用在于減少進(jìn)入底層飛行器主體結(jié)構(gòu)的熱量，因此對(duì)內(nèi)部隔層的隔熱性能分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高熱防護(hù)系統(tǒng)性能的重要途徑，而多層隔熱結(jié)構(gòu)和功能梯度材料為目前空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部隔熱層的主要備選。論文進(jìn)一步對(duì)影響多層隔熱結(jié)構(gòu)隔熱性能的多個(gè)因素如反射屏的層數(shù)，反射屏在結(jié)構(gòu)內(nèi)的分布，屏間纖維席厚度及反射屏與邊界距離進(jìn)行分析，比較不同情況下多層隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱性能，為多層隔熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。分析發(fā)現(xiàn)

4、為實(shí)現(xiàn)較好的隔熱性能，應(yīng)當(dāng)在熱邊界和冷邊界均布置反射屏。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)具四層反射屏的多層隔熱結(jié)構(gòu)的傳熱分析比較，可發(fā)現(xiàn)在各影響參數(shù)中，上層反射屏與熱邊界距離對(duì)隔熱結(jié)構(gòu)隔熱影響最大，反射屏與熱邊界距離越小，隔熱性能越好。最后，論文以雙層梯度材料為研究對(duì)象，比較了不同體積比條件下隔熱性能的變化，并在給定溫度和質(zhì)量限制條件下對(duì)梯度材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最佳隔熱性能時(shí)梯度材料厚度和體積比的分布。通過(guò)比較得知，當(dāng)熱外層選取較大密度隔熱纖維，在冷內(nèi)層