多再入工况下一体化热防护系统拓扑优化设计

一体化热防护系统(integrated thermal protection system,ITPS)需要同时满足承载与隔热的需求.以波纹夹芯方案的ITPS为例,这需要其连接结构具有较高的力学性能与较低的热导率.而再入环境的工况恶劣,如何合理地设计连接结构是ITPS性能提升的关键.为解决这一问题,综合考虑了再入过程中气动热载荷最大时刻和气动压力载荷最大时刻对应的两种极端工况,以应变能和净传热速率的最小化作为目标函数,将质量作为约束条件,对ITPS的连接结构进行了拓扑优化.随后对拓扑优化得到的构型重新建模并进行了热力耦合分析.结果表明,拓扑优化得到的连接结构与文献中的初始波纹夹芯构型和单一工况下拓扑优化得到的构型相比,上面板的最大位移、下面板的温度和质量均有效降低.由于材料用量的减少和结构复杂度的增加,连接结构在应力水平上有所增加,但仍满足使用需求.这表明了考虑多再入工况的拓扑优化策略可以有效提升ITPS的刚度与隔热能力,缓解结构的热短路效应.随着增材制造等相关技术的发展,拓扑优化在ITPS的连接结构以及其他的热结构设计中具有广阔的前景.

一体化热防护技术现状和发展趋势

防隔热/承载一体化热防护的结构承载功能使其比传统热防护具有更高的结构效率。近年来,已经发展了波纹夹芯一体化热防护及改进方案、刚性隔热夹芯一体化热防护、多层级一体化热防护等多种一体化热防护概念。首先介绍了各方案的结构特征,分析了各方案的热短路效应和结构承载性能。阐述了一体化热防护等效性能分析与热力耦合响应高效分析方法。介绍了热力耦合约束下一体化热防护的结构尺寸优化与材料优选方法。论述了一体化热防护非确定性分析与设计方面的研究进展。在此基础上,总结了一体化热防护发展的特点和不足,探讨了一体化热防护的发展方向。

一种一体化热防护承力结构的设计研究

采用ITPS(Integrated Thermal Protection Systems)承力结构的方法,开发了基于PATRAN PCL语言的参数化建模程序,能够自动、快速地建立该类型结构的有限元模型。通过改变腹板与底面板之间的夹角,得到了ITPS最佳热短路模型。通过数值分析研究了镂空腹板对ITPS承载能力及隔热性能的影响。结果表明,腹板与底面板夹角76°时,ITPS静力分析的最大等效应力达到极小值,镂空腹板高度和倒角半径的综合设计关系到ITPS优化设计的成败。在镂空腹板宽度和高度相同的情况下,应该优选倒角半径大的镂空腹板结构形式。同时,镂空腹板改善了ITPS底面板的温度均匀性。镂空腹板的数值分析结果为ITPS结构优化设计提供一定的参考和依据。

一体化热防护系统试验与数值分析研究

陶瓷盖板式一体化热防护系统(Integral Thermal Protection Systems,ITPS)具有多层结构,材料物理性能差异大,其表面承受气动热和气动压力的共同作用,同时在外边界还具有辐射、对流换热等。提出在ITPS表面同时施加温度和力载荷方法,应用数值分析方法给出最佳的力加载区域,最后对试验结果与数值分析结果进行比较,二者误差在8%以内。对于ITPS的结构优化设计具有较好的理论参考价值。

一体化热防护系统承载能力/热失配改进方法

采用PCL语言参数化建模方法,开发了一体化热防护系统(ITPS)参数化建模程序,建立了不同外形参数下的一体化热防护系统有限元模型,分析了其承载能力与热失配现象随腹板角度和倒圆形式的变化趋势,提出了提高一体化热防护系统承载能力和改善热失配的改进方法。研究结果表明,在满足一体化热防护系统承载能力的前提下,腹板与底面夹角存在一个最佳角度,使得热短路降到最低水平;对腹板与壁板之间的夹角进行倒圆设计,可有效改善应力集中下面板的温度均匀性。

一种一体化热防护系统综合效能量化评价方法

一体化热防护系统(ITPS)已经成为高超速飞行器关注的主要发展方向,承力和防热的双重作用使得ITPS能够显著降低飞行器的整体重量。在对ITPS进行综合效能分析时,需要考虑结构效率、材料性能、结构的可设计性和工艺的复杂性等因素。本文从ITPS设计的合理性、ITPS减重的可行性、设计的难易度、工艺的复杂度4个方面进行了讨论,为设计人员提供指导。

面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构研究进展与挑战

高超声速飞行器技术是航空航天领域发展的重要方向,对国防安全起着重要作用。高超声速飞行器能在极端环境中安全服役的关键在于飞行器的热防护材料与结构。一方面,热防护材料与结构必须能够经受恶劣的气动热环境;另一方面,热防护材料与结构还要在承载的同时尽可能降低质量以提高飞行器有效载荷。因此,需要研发兼具耐高温、轻量化、承载特性的热防护结构。本文首先综述了C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构及其制造方法,对其在室温、高温环境下的力学行为与传热行为的研究现状进行了总结,并具体讨论了基于C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构的耐高温、轻量化、承载、一体化热防护结构研究进展情况。最后,在新设计理论与方法、新制造技术、服役特性、多功能一体化设计与实现四个方面对面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构的研究挑战进行了展望。本文为高超声速飞行器新型热防护结构的发展提供一定借鉴与思考。

含相变材料热防护结构一体化设计与试验

利用相变材料储热密度大、比热容高等优势,设计了一种含相变材料的新型一体化热防护结构(PCM-ITPS),并通过数值计算分析了其隔热特性。结果表明,在一体化热防护结构底板处铺设相变材料可吸收热短路效应导入的过量热载,改善结构的隔热性能。然后设计并制备PCM-ITPS试验件,通过隔热性能测试试验对结构隔热特性进行验证。在此基础上进行热应力分析验证其承载性能,并以结构参数为设计变量,隔热和承载性能要求为约束条件,实现了PCM-ITPS结构的轻量化设计,优化后PCM-ITPS方案相对传统ITPS方案减重23.35%。以上工作为促进热防护系统的设计-制造一体化进程提供必要的理论储备与技术支持。

一体化热防护系统热应力分析

高速飞行器对结构效率的苛刻要求使得热防护系统不断趋于向轻质化、集成化方向发展，新型的力热耦合一体化热防护系统（IPTS）极具发展潜力。介绍了IPTS结构特征，对IPTS在机翼结构中的热响应进行了分析，包括优化分析、瞬态温度场分析以及考虑空气压力的热应力分析，结果表明：在机翼外表面增加ITPS结构是可行的。

一体化热防护系统综合效能量化评价方法

在对一体化热防护系统进行综合效能分析时,不仅需要考虑结构效率,还需要考虑材料性能、结构的可设计性以及工艺的复杂性等因素。本文从ITPS设计的合理性JTPS减重的可行性、设计的难易度、工艺的复杂度四个方面进行了讨论,为设计人员提供指导。

临近空间飞行器防隔热/承载一体化热结构设计及力/热行为

目的满足临近空间飞行器对结构/热防护系统质量指标的苛刻要求,研制兼具轻量化与高效防隔热/承载一体化的热防护结构及系统。方法根据临近空间飞行器承力和防热两方面的要求,设计一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护结构,采用地面高温环境试验,考查复合材料一体化热防护结构的抗烧蚀性能。建立一体化热防护结构的热响应和力学响应预报方法,以某飞行器机翼为研究对象,开展一体化热防护结构在机翼部位的应用研究,利用有限元方法进行热力耦合分析。结果一体化热防护结构高温热暴露后表面出现热解,但结构性能保持良好。结论设计的一体化热防护结构满足防热和承载两方面设计要求,是新一代飞行器的理想热防护方案。

深空探测器防热承力一体化大底结构研究

传统航天器的承力和热防护结构分别设计,使得结构质量大且材料间因热膨胀系数差异存在相分离风险。文章针对进入舱大底结构提出新型一体化热防护系统(Integrated Thermal Protection Systems,ITPS)设计方案,以C/C-SiC复合材料作为防热层,以梯度隔热材料为隔热层,采用耐高温非金属螺钉机械连接辅以胶接的方式组合各部件。通过对典型大底结构进行力、热仿真模拟,结果表明:结构背壁温度、强度满足使用要求;ITPS设计方案较传统热防护系统设计方案质量减小约34%。ITPS在可重复使用航天器、深空探测等领域具有广阔的应用前景。

考虑瞬态温度和应力约束的承载隔热多功能结构拓扑优化

一体化热防护结构通常处于严酷的非稳态热环境,热载荷作用的时间效应(即瞬态热效应)明显.为了避免瞬态热分析的巨大计算消耗,以往的一体化热防护结构优化设计研究通常将瞬态传热等效为相同热边界条件下的稳态传热,将稳态传热分析的温度场作为设计热载荷.然而,已有的研究表明稳态传热无法准确等效瞬态传热的作用效果,瞬态热效应对结构设计结果具有重要影响.文章研究了考虑瞬态热效应的一体化热防护结构优化设计问题,建立一种考虑瞬态温度和应力约束的一体化热防护结构拓扑优化方法.该方法以SIMP(solid isotropic material with penalization)法为基础,构建两种针对一体化热防护结构的热弹性结构拓扑优化模型:(1)考虑材料体积分数、最大应力和底面最大温度约束,以最小化结构应变能为目标的刚度设计模型;(2)考虑最大应力和底面最大温度约束,以最小化材料体积分数为目标的轻量化设计模型.通过求解瞬态热力耦合方程获得结构的热力耦合静力分析结果;通过响应量在空间和时间域的凝聚积分函数表征结构响应在时域内的最大值,并以此构建相应的约束和目标函数;采用伴随法推导约束和目标函数的灵敏度表达式.通过3个数值算例验证了本方法的有效性.数值算例结果表明,在瞬态传热条件下,本方法能够准确反映瞬态热效应对一体化热防护结构设计结果的影响;相比于基于稳态热分析的设计结果,考虑瞬态热效应的设计结果具有更优的性能.

具有承力结构的防热系统热响应分析

高速飞行器对结构效率的苛刻要求使得热防护系统不断向轻质化、集成化方向发展,新型的力热耦合一体化热防护系统(ITPS)极具发展潜力。本文介绍了ITPS的结构特征,并对ITPS在机翼结构中的热响应进行了分析,包括优化分析、瞬态温度场分析以及考虑空气压力的热应力分析。结果表明,在机翼外表面施加ITPS结构是可行的。