高超声速飞行器翼面前缘半主动金属热防护系统设计与分析

针对高超声速飞行器翼面前缘的热防护,文章设计了一种基于热管的半主动金属热防护系统。设计中使用工程估算方法预测了翼面前缘的气动热环境,并采用有限元法对高温合金翼面前缘结构进行了热固耦合分析和强度考核。分析结果表明:在马赫数为5～8的飞行状态下,热管可以有效地降低高超声速飞行器翼面前缘峰值温度达23%～31%,且呈现飞行马赫数越高则峰值温度降低幅度越大的趋势;同时热管还可以降低翼面前缘结构温差达90%以上,从而极大地减小由于温差而导致的热应变和内部应力。因此,将基于热管的半主动金属热防护系统应用于高超声速飞行器翼面前缘可以真正实现结构防热一体化,有助于获得较好的防热和减重效果。

发汗式主动冷却金属热防护系统主动冷却效率研究

发汗式主动冷却金属热防护系统是一种新型概念,将发汗冷却方法应用于金属热防护系统中,用于提高金属热防护系统的热载荷承载能力,是解决临近空间高超声速飞行器防热问题的有效方法。设计并建立了发汗式主动冷却金属热防护系统的实验模型,分析了发汗式主动冷却金属热防护系统的基本冷却原理,测量了同一实验模型分别在有无发汗冷却作用下,沿厚度方向不同位置测量点的温度响应。结果表明:在相同的加热条件,采用发汗冷却方法,可以使受热蒙皮材料达到相同温度的时间明显滞后;在发汗冷却作用的过程中,内部隔热层的温度不会超过水的沸点温度;采用发汗冷却方法,可以使同一结构热载荷承载能力至少提高70%;通过合理的结构设计,可以减少受热蒙皮由于热膨胀而引起的结构变形。

重复使用飞行器金属热防护系统的有限元分析与设计

金属基热防护系统具有轻质、耐用、可操作性、成本高效等特点,是实现降低重复使用飞行器费用的一个关键技术。通过比较分析超耐热合金防热板和改进型防热板,给出了金属热防护系统的各个部分的设计准则。建立了蜂窝夹芯板和纤维隔热毡的有效热导率的数值预报模型,算例研究表明本文给出的数值预报方法正确。使用二维热分析模型和三维承载分析模型,实现了传热和承载分析的迭代计算,算例表明迭代方法有效、可行,可用于可重复使用飞行器金属热防护系统的分析与评价。

金属热防护系统材料与结构研究进展

简要综述了金属热防护系统的国外研究进展,重点介绍了美国高温合金热防护系统材料与结构以及钛合金热防护材料与结构的研究概况,并对国内情况作了一些简介。指出金属热防护系统是下一代重复使用运载器大面积表面热防护的第一方案。

金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热分析

采用能量平衡方程和两热流密度近似法建立了金属热防护系统多层隔热材料的稳态传热的数学模型,并利用测量多层隔热材料单元的有效导热系数的实验和遗传算法对纤维隔热材料的辐射衰减系数和隔热屏表面辐射发射系数这两个热物参数进行了优化,最后用实验测得的多层隔热材料的有效导热系数验证了采用优化后参数的多层隔热材料的稳态传热模型的正确性。

美国金属热防护系统研究进展

简述了美国为可重复使用运载器研制的金属热防护系统的研究现状及其发展趋势。详细介绍了金属热防护系统的结构组成及其分析设计和测试。金属热防护系统与传统热防护系统相比 ,防热层和承力结构一体化 ,无需气动外壳 ,可以减轻系统质量 ,防热面板容易安装和拆卸 ,可以大大节省维护时间和成本 ,适合可重复使用运载器降低成本。

金属热防护系统的研究进展

简述国外几代金属热防护系统的发展概况,并论述金属热防护结构的组成特点,对金属热防护系统与其他传统热防护系统的优缺点进行比较,指出金属热防护系统必将是各种类型可重复使用航天飞行器大面积防热的最佳选择。

金属热防护系统隔热材料的发展与现状

对金属热防护系统隔热材料在航天器再入过程中的传热进行了分析,在此基础上,对纤维隔热材料、多层隔热材料和纳米复合材料涂层进行了介绍;比较了3种隔热材料应用到金属热防护系统上的优缺点;最后总结了金属热防护系统隔热材料正向低成本、低质量、低导热系数的方向发展。

重复使用金属热防护系统研究进展

综述了金属热防护系统的国外研究最新进展,重点介绍了国内相关研究和试验的最新情况。指出金属热防护系统仍是下一代重复使用运载器大面积表面热防护系统的优选方案之一。

金属热防护系统纤维隔热材料的传热分析

介绍了一种在设计金属热防护系统中计算纤维隔热材料厚度的方法。采用能量方程和光学厚近似的方法对纤维隔热材料在再入过程中的热传递建立了传热模型,并对3种不同密度的纤维隔热材料进行了有效导热系数的测试。利用部分温度下的有效导热系数,采用遗传算法对纤维隔热材料的辐射衰减系数进行了优化。利用其余温度下的有效导热系数验证了优化后的传热模型的正确性。最后采用优化后的数值模型对再入过程进行了模拟,通过计算得出采用密度为96 kg/m3的纤维隔热材料的金属热防护系统总重量最轻。

金属热防护系统瞬态热分析的并联一维模型

建立了可重复使用运载器金属热防护系统瞬态热分析的并联一维模型。根据热防护系统的结构特点划分了多条热流通路,将各热流通路离散化后给出了单条通路瞬态传热的隐式差分格式,采用热平衡法推导了串、并联两种类型公共节点的局部控制方程,并给出了传热问题中常见边界条件的统一表达式,最终形成了总体控制方程。通过数值计算获得了热防护系统瞬态温度场。计算结果表明:采用并联一维模型可以更真实、更准确地反映热防护系统的传热过程,对于热防护系统结构优化设计有较高的参考价值。

金属热防护系统多层隔热材料的传热分析及参数优化(英文)

采用能量平衡方程和离散坐标法近似地建立了金属热防护系统多层隔热材料的一维稳态传热的数学模型,并利用遗传算法和纤维隔热材料的有效导热系数试验数据求解传热反问题,从而得到了模型中的纤维隔热材料的辐射衰减系数、反照率和隔热屏表面辐射发射系数。最后,由实验测得了多层隔热材料的有效导热系数,验证了采用优化参数后,多层隔热材料的传热模型的正确性。

金属热防护系统动力学建模研究

研究了金属热防护系统的动力学建模及简化计算方法。首先,给出了蜂窝结构面外的等效热导率、比热容、密度和弹性系数的表达式,并给出了算例验证;其次,建立了包括外层蜂窝、中间防热层、内层蜂窝、应变隔离层和承力结构的完整模型,研究了外表面受高温加热情况下结构的热力学响应及弯曲模态;最后,提出了带金属热防护系统的结构弯曲热模态计算的简化方法,实现了带金属热防护系统的结构弯曲热模态的快速计算,而且发现温度对结构模态有较大影响,当承力结构温度为130℃左右时,前三阶弯曲固有频率均减小4%以上,第三阶下降最明显,达到9%左右。

金属热防护系统瞬态传热数值模拟方法研究

针对由金属蜂窝夹心板和多层纤维绝热材料组成的金属热防护系统(Metallic Thermal ProtectionSytems,MTPS)建立了气动加热条件下整体传热计算模型,采用蒙特卡罗方法模拟蜂窝腔内的三维辐射传递和每个纤维层内的一维辐射传递,采用有限体积法对MTPS一体化结构内辐射导热耦合换热能量方程进行求解,对某结构的MTPS瞬态传热及热响应进行了数值模拟分析,结果表明在所给定的典型时变气动热流条件下金属蜂窝夹芯板对MTPS瞬态热响应影响很小,增大蜂窝腔内表面发射率可明显降低蜂窝蒙皮间的温度差,再入过程中时变气体压力对MTPS瞬态热响应有明显的影响。

金属热防护系统等效热传导及影响因素分析

针对金属热防护系统,分别建立了真实有限元模型和等效有限元模型,开展瞬态热传导分析,得到内外表面温度随时间的变化历程,并将这两种方法进行了对比分析,结果表明文中提出的等效模型能够准确地模拟真实模型。采用等效模拟方法,对影响金属热防护系统内外表面温度的主要因素进行分析,包括蜂窝芯固体热导率、蜂窝芯几何尺寸和上下面板辐射系数等,获得了各个因素的影响规律,为金属热防护系统结构方案设计提供一定的参考。

可重复使用运载器金属热防护系统的历史与发展动态分析

随着重复使用运载器的研制和发展,金属热防护系统的发展从简单到复杂;金属热防护系统的优点使得其在热防护系统中的地位日益提高。这里总结了金属热防护系统的历史发展历程,描述了其典型细节设计,提出了其存在的问题,展望了金属热防护系统的发展方向,为未来设计提供借鉴。

金属热防护系统单元间缝隙换热规律

建立金属热防护系统(MTPS)单元间的缝隙换热计算模型,基于数值计算对影响缝隙内部辐射换热强度的若干参数进行参数影响分析。研究结果表明:减小缝隙宽度和辐射率、提高缝隙底部组件材料的热扩散率以及设计合理的缝隙几何形状,可以实现缝隙内部辐射换热最大程度的弱化;当缝隙顶部温度低于673 K时,可以基本不考虑MTPS单元间的缝隙辐射换热。

RLV金属热防护系统热分析方法进展

金属热防护系统热分析涉及严酷瞬态热环境下复杂的热传输机理。为了得到综合效能好、成本低的热防护系统,确保飞机内部结构正常工作,必须仔细研究防护系统的传热机理、传热方程的简化。

可重复使用航天器金属热防护系统的结构优化进展

根据美国开发的金属热防护系统,分析了用于可重复使用航天器的金属热防护系统的发展和现状,详细介绍了几代金属热防护系统的总体结构、高耐热蒙皮结构、绝热结构的不断演化和设计的优化进展。并且从结构装配方面,阐述了单个金属热防护系统结构、多个金属热防护系统结构以及金属热防护系统与刚性结构的装配设计的优化发展,为工程在结构设计和优化方面提供一定的参考依据。

热环境下的金属热防护系统的动力学特性研究

研究了金属热防护系统(metallic thermal protection system,简称MTPS)在典型RLV再入热载荷作用下的动力学特性。首先,针对MTPS在热载荷作用下的动态响应问题,结合数值算例验证了有限元分析方法的可行性和正确性;其次,基于MTPS的有限元传热分析模型,计算了热环境下结构的瞬态温度响应;最后,使用有限元的分析方法对笔者建立的MTPS简化模型在热应力场和结构场耦合下的结构动力学特性进行了研究分析,给出了典型再入热环境下结构的固有振动频率随加热时间的变化曲线。计算结果发现,材料弹性模量等参数的变化比热应力场对MTPS结构固有频率的影响更大,热应力场对结构固有频率的影响最高达到10.3%的比例。