运载火箭尾段防热/承载一体化热防护系统设计及性能分析

先进热防护技术是可重复使用运载火箭研制的关键技术之一,具有高结构效率的防热/承载一体化热防护系统是运载火箭极具潜力的备选热防护方案。本文系统地总结了可重复使用运载火箭尾舱段防热和承载两方面的设计要求,设计了一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护系统。开展了运载火箭尾段一体化热防护系统设计,进行了代表性单胞结构的高温环境地面试验,揭示了复合材料一体化热防护系统的防隔热机理。同时施加力学和热流载荷,利用有限元方法对运载火箭尾段进行了热力耦合分析,获得了尾段结构的温度场、应变场和应力场。结果表明:在典型载荷工况下一体化热防护系统内壁温度保持在89.2℃以下,内部最大应力不超过9.53 MPa,安全系数达到1.89。     

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。     

ARMOR热防护系统蜂窝夹层板结构参数设计

对ARMOR热防护蜂窝夹层板采用结构-隔热一体化设计。将蜂窝夹层板按隔热能力相同等效成匀质材料结构,建立了蜂窝夹层板单位面积质量、单位面积热阻,以及力学参数与夹层板结构参数的函数关系。给出了基于改进粒子群算法的热防护蜂窝夹层板力学性能、稳定性和隔热性能等共同约束下质量最小的结构参数确定方法。算例结果表明：该算法具一定的减重效果。     

树脂基防隔热复合材料高温响应分析方法研究进展

针对树脂基防隔热复合材料高温条件下复杂的热/力/化学的多场耦合问题，从高温性能预报模型、高温响应求解方法和高温试验测试三方面进行了论述。详细介绍了研究树脂基防隔热复合材料高温响应相关的热解动力学模型、材料高温热物性及力学性能演化表征方法、材料高温响应模型的求解方法以及表征材料高温响应的多种高温试验测试手段。对上述研究方法的发展进行了评述，并对未来发展趋势进行了展望。本文有助于相关研究人员认识和发展树脂基复合材料在高温下的热力响应分析方法，也可供工程技术人员对这类材料的防隔热性能和高温承载性能进行研究。     

缝纫泡沫夹心复合材料的制备及力学性能表征

传统的夹芯结构复合材料通常是将面板和芯材粘结在一起,这使得夹芯结构芯材与面板的界面性能薄弱.为了弥补现有夹芯结构材料界面性能薄弱的缺点,研究了缝纫增强泡沫夹芯结构复合材料一体化成型工艺,并对其力学性能进行了试验研究.通过与未缝纫泡沫夹芯结构的对比试验,发现缝纫能显著提高泡沫夹芯结构的弯曲强度、平压强度和侧压强度,而且随着缝纫密度的增加,该夹芯结构的抗弯、平压和侧压性能均有提高.     

轻质复合材料夹芯结构设计及力学性能最新进展

从设计、制备和力学性能方面对轻质复合材料夹芯结构的最新研究成果进行总结，包括复合材料点阵夹芯结构、褶皱夹芯结构以及蜂窝夹芯结构对应的拓扑构型设计和制备工艺，重点从力学性能的理论预报、力学性能实验表征和失效模式分析等角度评述了性能改进的最新研究。通过对轻质复合材料夹芯结构最新研究进展的总结与分析，展望了点阵夹芯结构、褶皱夹芯结构和蜂窝夹芯结构的发展趋势及可能应用领域。     

V型皱褶芯材夹层板对流换热性能评价及优化

为考察主动冷却式一体化热防护结构用V型皱褶芯材夹层结构的性能，文章采用Fluent软件模拟受恒定热流载荷皱褶芯材夹层板在强制对流条件下的传热过程，分析其换热特性和流道内流体流动规律；并在分析皱褶芯材夹层板中正三角和倒三角2种流道换热性能差异的基础上，提出相邻流道流向相反的改进方案。该方案可提高冷却剂的利用率，使结构温度分布更加均匀。相比于具有相同几何参数的波纹芯材夹层板，皱褶芯材夹层板具有更好的换热性能，但同时以更大的当量密度和进出口压降损失为代价。比较几种常用的热效率指标，并定义了一种同时考虑换热性能、泵功率和结构质量的热效率指标，再分别以不同的热效率指标为目标函数，对皱褶芯材的几何参数L、W和S进行初步优化设计。     

火箭电气系统电缆网热防护研究

简要介绍了箭上电气系统电缆网热防护技术应用现状，阐述了一体化热防护研究的必要性，提出了轻质电缆网的芯线、绝缘层、屏蔽层、插头和热防护层有效集成的总体方案。研制热防护材料，确定热防护层结构，试制一体化热防护电缆网，模拟热环境试验，研究表明：一体化热防护电缆网满足结构减重与轻柔、可靠性提高和总装周期缩短等总体指标要求。     

耐热合金蜂窝等效热导率的实验研究

耐热合金蜂窝夹芯结构是高超音速飞行器热防护系统外面板的理想候选方案.针对Hastelloy X耐热合金蜂窝夹芯结构开展了稳态传热实验,通过控制加热板温度,获得了一组热平衡时蜂窝夹芯结构的热、冷面温度,结合Stefan-Boltzmann定律和大空间自然对流实验关联式,采用热阻分析方法得到了Hastelloy X耐热合金...     

1700℃高温、有氧及时变环境下隔热性能试验研究

针对高超声速飞行器面临极端高温热环境、飞行器外壳单侧面受热以及温度历程非线性时变的特点,自行设计并建立辐射式极端高温氧化环境下的单侧面试验加热装置,实现了1700℃高温有氧环境下对高超声速飞行器热防护材料的隔热性能试验测试。同时,对轻质陶瓷材料试验件和新型陶瓷、纳米材料复合结构在高达1700℃的高温氧化环境下的隔热性能进行试验测试,并对不同材料及其组合模式进行对比分析,优选高效能的隔热方案,发现陶瓷、纳米材料复合结构试验件比单层轻质陶瓷材料试验件的隔热效果提高了约50%。另外,生成了极端高温非线性时变热环境,并进行相应的隔热性能试验。通过建立极端高温、有氧、单侧面加热、非线性时变热环境试验系统及其实际应用研究,为高超声速飞行器的热防护设计提供重要的试验手段。     

航天员出舱牵引构型设计与结构响应性能评估

针对航天员出舱过程所用安全绳锁挂频繁的问题，进行了安全高效的航天员出舱牵引系统构型设计，可作为太空行走的辅助导向装置。基于材料结构弹塑性力学方程与含应变耦合项的热传导方程，推导结构热力响应可计算数学模型，利用Newmark方法以及Crank-Nicolson数值格式分别对热弹性方程和热传导方程进行时间域上的离散，构造金属结构响应无条件稳定隐式有限元格式，搭建了温度场与位移场相互影响热力耦合有限元算法(FEM)性能评估软件系统，以此对牵引系统的导轨进行热力耦合数值计算，得到在太阳辐射外热流载荷作用下具有较强抗变形能力的结论。计算了航天员采用牵引系统出舱时对导轨产生的拉力，并借助ANSYS Workbench对导轨进行静力学求解，验证了该牵引系统具备结构强度可靠性，可为空间站建设舱外作业平台提供重要理论分析依据与设计参考。     

蜂窝夹层板强度分析模型对比研究

在蜂窝夹层板强度设计中,为了降低计算成本,并得到准确的计算结果,需要对蜂窝夹层板进行有效的等效建模。以简化的仪器安装板为例,对比研究了等效板、三明治夹芯板、三明治实体夹芯板和蜂窝体夹芯板4种强度分析模型,并基于蜂窝体夹芯板计算模型,对4种强度分析模型下的变形、应力和频率计算结果分别进行了对比研究,得到计算精度、适用范围等工程结论,同时形成相关软件应用界面,指导飞行器结构设计。     

一种航天器蜂窝夹层板发泡胶减重方法

针对航天器蜂窝夹层板发泡胶减重需求，以预埋件-发泡胶组合体等效半径为参数进行理论分析，给出蜂窝夹层板应力分布解析式，预测其破坏模式。据此提出两种发泡胶减重填充方案，并开展试件拉脱力测试、仿真，舱板组件性能评估和结构精度稳定性分析等验证工作。研究表明，方案1实现预埋件发泡胶减重25%，方案2实现减重50%。减重方案已成功应用于两型卫星，可为其它航天器研制提供有益的参考。     

采用伪速度冲击响应谱评估蜂窝夹层板破坏边界

采用伪速度冲击响应谱(PVSRS)对航天器蜂窝夹层结构进行了冲击破坏边界评估。目前航天领域常用的冲击响应谱(SRS)是绝对加速度谱(AASRS)，相较于绝对加速度谱，伪速度谱能更清楚地显示出结构在低频、中频和高频段不同的冲击响应特征。分析了弹性力和惯性力在低频、中频和高频段对结构安全性的影响，据此在对数四坐标伪速度谱上给出了相应的结构破坏边界。以一典型蜂窝夹层结构为研究对象，通过有限元分析计算得到的结构破坏边界与伪速度谱给出的结构破坏边界符合得较好。在航天器结构冲击安全性研究领域，本文采用的伪速度谱结构冲击破坏边界是对目前常用的加速度谱方法的一个有益补充。     

小卫星太阳电池阵结构声振响应分析研究

针对高频段太阳电池阵结构声振问题求解中的结构模态参数不确定性,文章从统计模态和能量平衡的角度出发,深入研究了复合材料面板太阳电池阵夹层结构的统计能量分析参数确定及功率流模型创建方法,并快速得到了太阳电池夹层结构的声振响应。对比分析与试验结果,发现二者吻合很好,因而验证了该声振响应分析方法用于小卫星太阳电池阵结构的有效性,并可作为小卫星工程研制中太阳电池阵结构动力学分析的有益补充。