高超声速防空导弹结构防热技术展望

近年来,高超声速防空导弹成为各军事大国研究热门。高超声速防空导弹飞行速度马赫数超过5,因此如何准确确定气动加热环境和进行热防护设计,选择合适的防热结构方案,是研制高超声速防空导弹的重要关键技术。基于未来高超声速防空导弹可能面临的热环境,并结合目前国内外在热防护材料及热结构方面的发展状况,介绍几种适合未来高超声速防空导弹的防热设计方案。

基于烧蚀机理的涂层类防热结构精细化设计方法

为了实现轻质化、低成本、精细化防热设计,提出基于烧蚀机理的涂层类防热结构精细化设计方法,使用烧蚀机理初步计算出涂层烧蚀碳层厚度,从而建立烧蚀精细化热仿真计算模型,并计算得到较为准确的防隔热仿真结果,该方法的应用可为舱段涂层防热方案论证提供科学有效的理论分析手段,指导防热方案设计,并达到降低设计成本、缩短研制周期的目的。

基于CW-THz的防热瓦结构缺陷深度检测校正方法

太赫兹探测成像技术在航空航天无损检测领域具有重要应用前景,采用无损检测方法对热防护材料进行相关检测,对保证材料质量以及提高其使用可靠性等都具有重要意义。因调频连续太赫兹采集信号受系统工作带宽的限制导致测试精度低,为提高其测量精度,本文引入不同的离散频谱校正与细化方法进行比较分析。以热防护结构的陶瓷防热瓦为研究对象,对防热瓦中不同深度的孔洞缺陷进行检测,通过分析样件的太赫兹二维图像以及典型信号对比,获取缺陷的位置和大小信息,从信号处理的角度进行深度信息校正。结果表明,调频连续太赫兹检测系统可以清晰识别热防护结构中的孔洞缺陷,且离散频谱细化及校正处理算法能较准确的定位缺陷深度,其校正误差在1 mm范围内。

结构热防护一体化复合材料研究进展

超高声速飞行器飞行速度快、飞行时间久的需求对结构及热防护体系提出了更苛刻的挑战,结构防隔热一体化设计能够兼顾承载和热防护双重功能,充分发挥材料高温强度潜力,减少各部件由温差引起的热应力,减轻结构质量和热防护的质量,增加机动性和有效承载能力,具有比传统热防护更高的结构效率,同时实现可重复使用,降低成本。本文综述国内外一体化热防护技术研究现状,介绍各个典型技术方案的结构特征和热防护材料,在此基础上,总结一体化热防护发展的特点和不足,探讨一体化热防护的发展趋势。国内目前仍处于研发起步阶段,拓宽对结构防隔热一体化的技术认知,积极发展结构材料与热防护材料低成本共固化技术,同时不断开发和引入新的热防护材料,加强对主动冷却结构热防护一体化技术的研发力度,是国内结构热防护技术能够快速应用的可行之路。

可重复使用热防护系统防热结构及材料的研究现状

在对国外有关各类航天器的防热结构和材料进行广泛调研的基础上 ,对陶瓷瓦、柔性毡、盖板等防热结构及材料进行了介绍 ,并总结了防热结构和防热材料的发展现状及趋势。

结构/防热一体化?480mm复合材料壳体水压实验的声发射特征

为了满足未来高速高加速战术导弹对壳体承载能力和防热功能的要求,采用干法缠绕工艺制备结构/防热一体化?480 mm复合材料壳体,其中结构层采用T700碳纤维/氰酸酯复合材料,防热层采用复合防热结构,进行壳体内压检验、声发射和水压爆破实验,研究内压作用下壳体的应变变化规律,判断复合材料损伤类型,预测壳体破坏位置,评价外防热材料的结构完整性,考核壳体承受内压载荷的能力。结果表明:结构/防热一体化?480 mm壳体应变与压强呈线性关系,随压强的升高而增大;?480 mm壳体在内压作用下出现树脂开裂、单丝断裂、纤维束断裂和分层等声发射信号,分布在前后封头区域,二次加载后费利西蒂(Felicity)比为0.96;壳体的爆破压强为18.6MPa,容器特性系数达到42.1 km,后封头区域出现宏观纤维断裂现象;防热层材料表面出现少量纤维起毛、断丝和发白现象,未出现分层和脱落,保持较好的结构完整性。

高超声速飞行器防热瓦结构的变厚度轻量化设计方法

针对非均匀气动加热条件下三维复杂防热瓦结构的轻量化需求,基于变厚度设计理念,发展了一种基于网格变形技术(ASD)和热固耦合分析相结合的防热瓦结构优化方法。优化结果表明,基于网格变形技术能够快速有效地解决优化过程中的网格自动更新问题,避免了网格重新划分的耗费及复杂结构网格重构的困难,并得到了光滑柔顺的厚度形状曲线;相比等厚设计,变厚度设计可以有效考虑载荷的非均匀效应,并极大地减轻结构重量;优化后可以更充分发挥防热瓦结构各层材料的承载能力。

基于分布式光纤传感的防热结构损伤识别研究

防隔热结构已大量应用在工程中,其健康状态对结构安全至关重要。为了监测隔热层粘接结构的健康状态,该文提出了一种基于分布式光纤传感器的防热粘接结构的损伤识别和监测方法。利用有限元法对带损伤试件承受弯曲载荷的过程进行了数值模拟,通过模拟的应变结果确定含有脱粘、裂纹两种损伤试件的应变趋势,作为判断结构失效的分类依据。通过对带有脱粘和裂纹缺陷的试件进行实验识别并定位损伤位置,监测试件的健康状况。研究结果表明,根据结构受载状态下的应变趋势可以判断试件是否发生脱粘或裂纹损伤,从而实现对结构的健康状态监测。

国外航天运输系统防热系统、结构和材料的总体分析研究

对近年来国外航天运输系统包括飞船、航天飞机和空天飞机等的防热方案的选用方向、防热结构和防热材料的研究与应用以及发展方向进行了高度概括与分析，采用了新的分类方法，介绍了各种新型的防热系统、结构和材料。

碳纤维增强石英在卫星、飞船防热结构上应用的探索研究

在用多种纤维增强各陶瓷基体的探索中,发现碳纤维增强石英能够获得比较理想的材料系统。本文对这种增强陶瓷的基本性能作了评估,还针对材料在卫星、飞船的飞行环境中可能产生的破坏进行了一系列热和力学环境试验。这些研究表明,碳纤维增强石英有可能应用在再入防热结构上,也具有重复使用的潜力。

再入航天器陶瓷拐角环防热计算与结构适用性分析

文章基于近地轨道及探月返回再入热环境,应用超高温陶瓷到再入航天器的典型防热结构,计算分析了再入过程中的防热结构温度场。利用温度场计算结果,再结合超高温陶瓷抗烧蚀性能以及结构设计与工艺性分析,就超高温陶瓷作为再入航天器防热结构的适用性进行了深入探讨。结果表明,由于超高温陶瓷的优良耐高温及耐烧蚀性能,在近地轨道及探月返回再入航天器防热结构上具有良好的应用前景。

温度交变环境下防热结构胶层厚度设计

再入返回式航天器飞行过程中,在轨温度交变环境下防热结构胶接热应力一直是航天器可靠性设计的关注內容恼乱浴爸忻芏确廊炔牧?硅橡胶-金属"的胶接结构作为对象,针对典型的低地球轨道温度交变环境,选取±100℃/5个循环环境作为分析条件,用ANSYSWorkbench建立了结构有限元分析模型,考察了不同胶层厚度对于结构热应力及热变形的影响。基于有限元计算结果、热应力理论及胶接工艺分析,给出了温度交变环境下防热结构的胶层厚度设计结果.该有限元模型分析方法可为防热结构热匹配特性研究和设计提供基础依据。

神舟飞船防热结构的研制

从结构方案、材料选择、地面试验等方面对神舟飞船防热结构的研制和某些特点进行了阐述。介绍了防热结构的飞行结果,特别是舷窗、舱盖、天线、姿控发动机等部位的烧蚀情况,证实了飞船的局部防热是十分成功的。

飞行器局部防热结构三维瞬态温度分布数值计算

飞行器局部防热结构三维瞬态温度分布数值计算桂业伟（中国空气动力研究与发展中心总体技术部四川绵阳６２１０００）关键词飞行器，防热结构，温度分布，数值计算１前言弄清再入飞行器防热结构的温度变化规律ＩＪ防热设ｉ！有着重要意义，本文针对这一背景开展了数值计算...

复合防热结构件自动涂胶工艺研究

针对长尾管锥形的复合防热结构件采用手工方式涂胶效率低,涂胶不均匀等现状,设计了一种气动自动化涂胶方式,可实现涂胶量和胶层均匀性控制。通过工艺试验确定出胶压强、胶粘剂使用时效、旋转速度等关键工艺参数,满足产品自动化生产需求。

神舟飞船防热大底结构设计

简要介绍了神舟飞船返回舱上的主要防热部件——防热大底的结构设计特点。从受热、受力和结构合理布局多方考虑,确定防热大底采用大面积烧蚀层和背壁玻璃钢蜂窝夹层结构、整体玻璃钢环的复合结构形式。经过大面积烧蚀计算与温度场分析、局部突起物烧蚀计算与温度场分析、防热大底受气动外压计算分析、静力计算分析以及详细的结构设计,设计出的防热大底较联盟号防热大底轻,结构比“双子星座号”飞船的防热大底简单。经过一系列的地面试验和神舟飞船的三次成功飞行试验,防热大底设计的正确性、合理性得到了充分验证。

纤维增强陶瓷在再入防热结构上应用的探索研究

对纤维增强陶瓷在辐射防热结构中充当外部辐射蒙皮的特性进行了评估。以返回式卫星和飞船典型的力学环境和热环境为依据。对碳纤维增强石英进行了试验研究,包括小平板再入热模拟试验、大型热结构件的常温振动、常温冲击、低温振动、低温冲击和再入加热等项目。一系列试验证明,碳纤维增强石英既保留了陶瓷耐高温、隔热好的优点,又克服了陶瓷固有的脆性,因此,在返回舱上做防热材料颇具潜力。

快速热阀隔防热结构的热分析

为了在快速热阀研制中设计出合理和经济的防热结构,在两种载荷下,对不同热导率材料的隔热层及阀体进行了有限元热分析,数值模拟出热阀工作中的温度场分布。以有限元热分析结果作为防热结构设计的依据,在阀体内设计厚度为100mm的隔热层,解决了快速热阀在627℃的高温和8.0MPa高压下运行过程中的阀体外表面温度不高于100℃的难题。通过实测表明:在设计的工况下运行,其阀体外表面温度低于70℃。

防热结构的局部防热研究

对回收式返回器的分析结果表明,表面的突起物是防热结构局部过热的重要起因。分析了防热结构的局部过热现象,提出了一种局部防热结构设计分析方法。分析计算结果与地面试验和飞行结果进行了分析比较。

基于传热增广模型的轨迹优化与防热结构分析

在考虑飞行器结构温度约束的轨迹设计问题中,采用一般约束热流密度的轨迹优化模型存在反复迭代、不能考虑轨迹、传热之间耦合关系等缺点。针对这些问题,提出一种传热增广的轨迹优化模型。利用空间差分将传热方程转化为一阶微分方程组,与运动方程组成传热增广的系统状态方程,从而能在轨迹优化中对结构温度直接进行约束。算例仿真说明了基于增广模型求解的高效性与结果的合理性;在此基础上分析了再入轨迹与防热结构之间的相互影响关系,对方案设计阶段的防热结构设计提供参考。