典型盖板防热结构性能分析与优化设计

摘要

随着超音速和高超音速技术的发展，严重的气动加热使空天飞行器不可避免地遭遇“热障”问题。作为高超音速发展的关键技术，热防护系统(TPS)的主要功用便在于控制进入飞行器的热流，使飞行器主体结构维持在所允许的温度范围内。因此TPS的质量、尺寸及隔热性能将直接影响着飞行器的灵活性和可靠性。 本文以高超音速飞行器热防护系统的设计为工程背景，对目前得到广泛研究和验证的被动式热防护结构进行传热分析和性能优化。首先，介绍了目前高超声速飞行器热防护系统的研究现状，对已有航天器热防护系统种类、综合布局进行归纳总结，并以典型盖板防热结构为对象进行建模分析，包括外部高温盖板，内部纤维隔热层及底层飞行器结构等，讨论了纤维材料内部辐射、气体传导、固体传导的耦合传热机理，建立瞬态传热条件下的控制方程和边界条件，分别采用相继离散差分法、耦合离散差分法及有限元素法对控制方程进行空间和时间上的离散，得到相应的温度场计算公式。在分析过程中热边界的处理遵循飞行器典型再入辐射等效温度和压力曲线。由于在热防护结构中内部隔热层占据了大部分体积，其主要作用在于减少进入底层飞行器主体结构的热量，因此对内部隔层的隔热性能分析及优化设计是提高热防护系统性能的重要途径，而多层隔热结构和功能梯度材料为目前空天飞行器热防护系统内部隔热层的主要备选。论文进一步对影响多层隔热结构隔热性能的多个因素如反射屏的层数，反射屏在结构内的分布，屏间纤维席厚度及反射屏与边界距离进行分析，比较不同情况下多层隔热结构的隔热性能，为多层隔热结构的优化设计提供参考。分析发现为实现较好的隔热性能，应当在热边界和冷边界均布置反射屏。通过进一步对具四层反射屏的多层隔热结构的传热分析比较，可发现在各影响参数中，上层反射屏与热边界距离对隔热结构隔热影响最大，反射屏与热边界距离越小，隔热性能越好。最后，论文以双层梯度材料为研究对象，比较了不同体积比条件下隔热性能的变化，并在给定温度和质量限制条件下对梯度材料进行优化设计，得到最佳隔热性能时梯度材料厚度和体积比的分布。通过比较得知，当热外层选取较大密度隔热纤维，在冷内层选取向适中密度的隔热纤维时，进入底层结构的热量最小。在对温度限制条件下梯度材料的优化分析中，与均匀密度分布相比优化的热防护系统趋向于较厚的隔热层厚度和较小的体积比值，但单位面积质量可减小约22﹪的比例；而在给定厚度和质量限制条件下，具有低体积比薄外层和高体积比厚内层的优化设计可获得较好的隔热性能。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1研究背景

1.2热防护方案

1.3热防护系统典型结构及材料

1.4热防护系统的布局

1.5本文主要内容

第二章典型热防护系统传热分析模型

2.1传热分析模型

2.2气动热环境

2.3热防护系统尺寸定义和质量确定

2.4小结

第三章热防护系统传热分析数值计算

3.1传热机理

3.1.1气体传导

3.1.2固体传导

3.1.3固体气体复合导热系数

3.1.4辐射传热

3.1.5典型传热模式传热贡献分析比较

3.2能量控制方程

3.2.1有限差分法

3.2.2有限元方法

3.3算例

3.4小结

第四章多层隔热结构传热分析

4.1引言

4.1多层隔热结构隔热原理和传热分析

4.1.1多层隔热结构隔热机理

4.1.2多层隔热结构传热分析

4.2多层隔热结构参数分析

4.2.1不同反射屏层数对多层隔热结构的影响

4.2.2反射屏不同分布位置对多层隔热结构的影响

4.2.3两端分布条件下各参数对多层隔热结构瞬态温度响应的影响

4.3小结

第五章功能梯度材料隔热结构优化

5.1引言

5.2体积比变化对隔热结构性能和质量的影响

5.2.1f2恒定，隔热结构温度随f1变化规律

5.2.2f1恒定，隔热结构温度随f2变化规律

5.2.3不同f1、f2值所对应底层铝合金结构峰值温度曲线

5.3双层隔热纤维隔热性能和质量优化

5.3.1温度限制条件下隔热结构的质量优化

5.3.2厚度一定，质量限制条件下铝合金板的温度优化

5.4小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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