刚性隔热瓦重复使用性评价研究

为满足未来新型飞行器对隔热材料的需求,将刚性隔热瓦在1 200℃热处理30 min,对其质量稳定性、尺寸稳定性、力学性能、隔热性能以及微观结构等进行了评价。结果表明,热处理20次的质量损失率、xy向线性收缩率、隔热性能以及微观结构变化都很小,仅z向线性收缩率稍大(3.19%)。综合来看,1 200℃/30min的使用条件下,隔热瓦能够满足20次的重复使用要求。

涂层制备过程中刚性隔热瓦的变形控制

针对刚性隔热瓦涂层制备过程中高温烧结热处理所导致的变形问题,在对其变形机制分析的基础上,探索了变形控制方法。研究结果表明,刚性隔热瓦在涂层制备过程中的变形来源于涂层玻璃相降温过程中收缩所导致的对于基体材料的压应力。与常规方法相比,仅将涂覆涂层面置于高温环境中烧结热处理,或者采用厚度较大的基体材料成型涂层后再进行二次加工减薄至最终所需厚度,均可明显降低变形量,变形量随基体材料厚度的增加而减小。当这两种方法并用时可进一步降低变形量。

刚性隔热瓦瞬态热传导及影响研究

针对高超声速飞行器中广泛使用的刚性隔热瓦热防护设计方案,采用Ansysworkbench有限元分析软件,建立了刚性隔热瓦有限元模型,通过瞬态热传导求解器,开展相应的温度场分析,获得了刚性隔热瓦热防护内表面温度随时间的变化历程。进一步,针对影响刚性隔热瓦热防护内表面温度的关键因素,如缝隙宽度、表面辐射率、热导率和材料密度等,开展了相应的影响规律研究,为高超声速飞行器热防护方案设计提供一定的参考。

刚性隔热瓦对舱段结构动特性影响规律分析

目的分析刚性隔热瓦尺寸、瓦间缝隙大小及热环境对典型舱段结构动特性的影响规律。方法以刚性隔热瓦式热防护系统的高超声速飞行器舱段结构为研究对象,建立其动力学模型,分别研究自由-自由边界条件下刚性隔热瓦尺寸及瓦间缝隙大小对舱段结构动特性的影响规律。开展热环境下舱段结构的稳态热传导分析,获得热环境下舱段结构的温度场分布,然后将温度场作为载荷,进行舱段结构自由-自由边界条件下的热模态计算,分析热环境对刚性隔热瓦式热防护舱段结构动特性的影响规律。结果刚性隔热瓦尺寸从150 mm增加至250 mm时,舱段第1阶弯曲模态频率从114.40 Hz提高至114.55 Hz,提高了0.13%。刚性隔热瓦间缝隙大小从0.8 mm增加至1.5 mm时,舱段第1阶弯曲模态频率从114.50 Hz提高至114.77 Hz,提高了0.24%。典型热环境下舱段结构最大热应力为0.0144 MPa,最大热变形为0.206 mm,刚性隔热瓦间缝隙尺寸取0.8 mm时,满足要求。常温和热环境下,舱段结构第1阶弯曲模态频率分别为114.50、114.48 Hz,温度载荷导致舱段结构弯曲模态频率降低0.017%。结论自由-自由边界条件下,在合理的设计范围内,刚性隔热瓦尺寸及刚性隔热瓦间缝隙大小对舱段结构动特性影响均较小。线性温度梯度工况下,温度场引起的热变形和热应力也很小,因此热环境对舱段结构热模态特性的影响亦很小,可以不予过分考虑。

刚性隔热瓦组件拉伸强度有限元分析与验证

为研究侧面涂层和应变隔离垫厚度及两者刚度对刚性隔热瓦及组件力学性能的影响,构建一种对称结构的刚性隔热瓦分析模型,进行了拉伸试验和有限元分析。结果表明,在拉伸载荷作用下刚性隔热瓦的应力分布不均匀,具有明显应力集中现象,其拉伸强度水平与最大应力密切相关,随涂层厚度或刚度增加,刚性隔热瓦最大应力上升,拉伸强度降低;当刚性隔热瓦粘结应变隔离垫时,应变隔离垫厚度增加或刚度减小,刚性隔热瓦最大应力下降,拉伸强度增大;当刚性隔热瓦含涂层时,增加应变隔离垫可减缓涂层对刚性隔热瓦的影响;并对有限元分析结果进行了试验验证,计算结果与试验结果吻合良好,表明建立的刚性隔热瓦分析模型合理,揭示了涂层和应变隔离垫参数与刚性隔热瓦失效的关联关系。

刚性陶瓷隔热瓦研究状况及启示

刚性陶瓷隔热瓦是高超声速飞行器的潜在热防护材料之一。介绍和分析了美国刚性陶瓷隔热瓦的发展历程、应用相关技术以及在X系列飞行器上的应用,对其在高超声速热防护技术方面的借鉴作用进行思考。

刚性陶瓷隔热瓦热-力耦合作用响应特性研究

本文针对高超声速飞行器可能面临的高温(1000~1500℃)、高气动力载荷(10~1000 kPa)的服役工况,开展了各向异性刚性陶瓷隔热瓦材料的高温热-力耦合作用响应分析研究。采用应力场-温度场直接耦合方法,建立了考虑材料各向异性与物性剧烈变化影响的刚性隔热瓦热-力耦合有限元数值计算模型;应用该模型分析了不同隔热瓦厚度、不同温度载荷和不同气动力载荷下共150个工况的热-力耦合响应,建立了隔热瓦背温响应和厚度形变的应用参考数据库。分析结果表明,材料最终的厚度形变大小受气动力载荷压缩效应和热应力膨胀效应共同影响。本文研究结果可以为刚性陶瓷隔热瓦材料后续优化设计和应用提供参考。