典型蓋板防熱結構性能分析與優(yōu)化設計.pdf

1、隨著超音速和高超音速技術的發(fā)展，嚴重的氣動加熱使空天飛行器不可避免地遭遇“熱障”問題。作為高超音速發(fā)展的關鍵技術，熱防護系統(tǒng)(TPS)的主要功用便在于控制進入飛行器的熱流，使飛行器主體結構維持在所允許的溫度范圍內。因此TPS的質量、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系統(tǒng)的設計為工程背景，對目前得到廣泛研究和驗證的被動式熱防護結構進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、護系統(tǒng)的研究現狀，對已有航天器熱防護系統(tǒng)種類、綜合布局進行歸納總結，并以典型蓋板防熱結構為對象進行建模分析，包括外部高溫蓋板，內部纖維隔熱層及底層飛行器結構等，討論了纖維材料內部輻射、氣體傳導、固體傳導的耦合傳熱機理，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控制方程進行空間和時間上的離散，得到相應的溫度場計算公式。在分析過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、熱防護結構中內部隔熱層占據了大部分體積，其主要作用在于減少進入底層飛行器主體結構的熱量，因此對內部隔層的隔熱性能分析及優(yōu)化設計是提高熱防護系統(tǒng)性能的重要途徑，而多層隔熱結構和功能梯度材料為目前空天飛行器熱防護系統(tǒng)內部隔熱層的主要備選。論文進一步對影響多層隔熱結構隔熱性能的多個因素如反射屏的層數，反射屏在結構內的分布，屏間纖維席厚度及反射屏與邊界距離進行分析，比較不同情況下多層隔熱結構的隔熱性能，為多層隔熱結構的優(yōu)化設計提供參考。分析發(fā)現

4、為實現較好的隔熱性能，應當在熱邊界和冷邊界均布置反射屏。通過進一步對具四層反射屏的多層隔熱結構的傳熱分析比較，可發(fā)現在各影響參數中，上層反射屏與熱邊界距離對隔熱結構隔熱影響最大，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，并在給定溫度和質量限制條件下對梯度材料進行優(yōu)化設計，得到最佳隔熱性能時梯度材料厚度和體積比的分布。通過比較得知，當熱外層選取較大密度隔熱纖維，在冷內層