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。     

X-37B轨道试验飞行器可重复使用热防护系统综述

热防护系统是可重复使用航天器的核心部分,X-37B轨道试验飞行器的成功试飞,突破了可重复使用热防护系统的技术瓶颈。文章对X-37B热防护系统进行了介绍,对鼻锥、机翼前缘、机体迎风面及背风面等部位热防护材料的技术方案、性能参数、制备方式及验证情况进行了概括,同时,总结了X-37B热防护系统的设计经验,可为我国可重复使用航天器热防护系统设计及研究工作提供参考。     

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。     

纳米孔材料中辐射热传递的改进——扩散近似法计算

用可燃的烧蚀材料作为主动的承热层,用不可燃的多孔材料作为被动的隔热层,是当今一次性使用航天器最普通的一种热防护形式,然而对可重复使用的航天器来说,这种防热结构显然不适用.但是如果把烧蚀层改为金属薄壁或多层金属热防护系统,在不增加很多质量的情况下,能保证航天器主结构在允许的温度范围,则可能是一种很好的设计.在此情况下,隔...     

航天器最优再入轨迹的选择分析

本文研究的目的是想获得具有最大有效载荷的航天器最优再入轨迹。返回段航天器的最大有效载荷等价于航天器离轨点所耗燃料质量与热防护系统（ＴＰＳ）质量之和达极小。文中把最大有效载荷的再入轨迹分三种情况作了分析：航天器ＴＰＳ质量不确定时，通过返回轨迹优化来获得航天器的最大有效载荷，并选择确定相应ＴＰＳ的质量；ＴＰＳ质量已确定时，通过再入轨迹优化来获得航天器的最大有效载荷；ＴＰＳ质量足够大时，通过多次穿越大气层来获得航天器的最大有效载荷。本文的结论可为航天器再入轨迹与ＴＰＳ的一体化选择提供思路。     

NASA探索新的热防护系统设计与制造技术

正2017年4月,据中国国防科技信息网报道,NASA正在研制一项新的航天器热防护系统(TPS)设计与制造工艺,目前已完成一部分试验工作,未来有望在降低用时、成本和损耗的基础上制造尺寸更大的烧蚀材料板材。热防护系统(热防护罩),可确保航天器在进入行星大气时免受气动热的影响,是确保任务成功的关     

充气式再入柔性热防护系统热流及结构研究

建立了充气式再入返回航天器的展开模型,用工程算法对整个再入过程的外热流和温度进行了估算。根据再入过程的外热流和温度条件,参考"充气再入飞行器试验"(Inflatable Reentry Vehicle Experiment,IRVE)典型热防护材料和结构设计,建立了柔性热防护系统结构模型及传热模型,通过ANSYS有限元方法计算出柔性热防护系统各功能层再入过程中的温度响应。文章从功能层材料、功能层铺层顺序和复合功能层三方面,初步分析比较了各种方案的充气式再入柔性热防护系统的防热效果,可为充气式再入返回柔性热防护系统的设计分析提供参考。     

高温合金热防护系统设计与分析

金属热防护系统是高超飞行器热防护系统的理想候选方案。给出了一套高温合金 金属热防护系统的初始设计方案,进行了金属热防护系统各功能层选材;给出了金属蜂窝材 料的宏观力学性能和导热性能等效方法;建立了金属热防护系统简化的一维有限元传热分析 模型,提出了采用迭代分析方式说现的金属热防护系统隔热层尺寸优化方法;建立了金属热 防护系统的三维有限元分析模型,实现了金属热防护系统的热弹性分析;最后通过典型算例 验证了上述方法的有效性。     

航天器可重复使用热防护技术研究进展与应用

新一代可重复使用飞行器对热防护系统提出了更高的要求,对于发展高超声速技术而言,可重复使用热防护系统设计至关重要,同时也面临着最困难的技术挑战。文章总结了可重复使用热防护系统可用的新型防热机制,综述了可重复使用航天器所采用的热防护系统的发展状态及典型飞行器应用现状,并阐述了新一代可重复使用热防护技术在设计与分析方法、验证与评价手段以及新型热防护材料等几个方面所面临的挑战。文章有助于更好的理解未来的高超声速飞行器发展中可重复使用热防护技术的发展方向。     

航天器动力管路热控设计与试验研究

针对某航天器动力系统管路布局分散造成系统温差大、控温难的问题,结合动力管路温度指标要求和边界环境条件,采用以被动热控措施为主、辅以电加热主动热控措施的设计方案。分析确立动力管路的热环境,建立换热模型;通过仿真分析和整器热平衡试验,选取不同工况,验证了动力系统氧化剂管路和燃烧剂管路温度均维持在8～20 ℃范围内的热控设计结果。该方案对各类航天器的动力管路热控设计和分析有一定的指导和借鉴作用。     

新型ARMOR热防护系统

热防护系统是保证航天运载器安全、快捷、经济飞行的关键技术之一。在经历了C／C与陶瓷基复合材料等热防护结构后，一种新型的热防护系统应运而生-ARMOR(Adaptable，Robust，Metallic，Operable，Reusable)热防护系统(TPS)。ARMORTPS是一种可适应的、坚固的、金属性的、可操作的、可重复使用的新型热防护系统。它具有易于安装、使用寿命(耐久能力)长、材料的兼容性好、维修时间短等许多特点，是RLV的重要的候选热防护系统之一。本文介绍了热防护系统的发展现状和要求。着重介绍了ARMORTPS的基本结构，连接方式和密封方法等特点。目前ARMORTPS外面板采用的材料为inconel617等材料．未来热防护系统外面板的候选材料为．γ～TiAl和微叠层等材料。最后总结了ARMOR TPS的优点。     

航天功能复合材料发展现状及趋势

文章综述了航天功能复合材料的发展现状及趋势,内容包括各种类型的功能复合材料及主要应用领域。对当前用于航天领域的热防护功能复合材料分别作了重点介绍,包括航天器热防护系统及材料、抗烧蚀热防护复合材料、梯度功能复合材料以及它们的组成、作用机理和主要应用。最后探讨得出功能复合材料的发展趋势是高性能化、多功能化和低成本化。     

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。     

被动吸水材料在载人航天器湿度控制中的应用研究

结合载人航天器密封舱的实际情况,建立简化的理论分析模型,分析载人航天器内被动吸水材料热、湿传递过程,并讨论了影响湿度控制方案的几个主要条件。系统描述了被动吸水材料设计方案和性能。通过地面湿度扩散试验和飞行试验,验证了该设计方案,证明被动吸水材料设计方案合理可行,在其它湿度控制措施共同作用下,能够满足载人航天器湿度控制的要求。     

亚轨道重复使用运载器总体多学科优化方法

针对亚轨道运载器总体设计多学科耦合的特点,从任务规划、学科建模、集成和求解策略等方面对多学科优化方法进行了研究。以助推亚轨道飞行器为对象,确定了学科模块组成、功能和数据耦合关系。建立了与总体设计过程相适应的7个学科模型,包括几何主模型、气动、推进、弹道、气动热、传热/热防护系统、结构。结合飞行器任务要求和基准方案,从系统级定义了多学科优化问题,包括目标函数、约束条件和设计变量。基于多学科软件框架集成学科模型,采用多学科可行法作为求解框架,建立了亚轨道飞行器多学科优化系统,选择SQP算法完成了以起飞总重为目标的优化。结果显示,优化后,发动机结构、热防护系统有所增加,但结构质量和燃油消耗减小,综合作用使总重减小2.4%,体现了多学科优化的协同作用。     

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。
     

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...     

基于FTA的航天器热试验技术风险分析方法

文章针对航天器热环境试验技术风险,研究航天器热环境试验技术风险识别、评价、分析、控制的方法。应用FTA方法分析质量不合格,图形化分析底层作业动作与质量不合格的内在联系;基于研制流程将热试验过程展开,对底层动作的风险严酷度开展评价;应用风险控制理论,针对底层作业动作风险制定控制矩阵。实践证明以上方法使航天器热试验过程的技术风险得到有效控制,提升了航天器热试验业务能力。     

航天飞机防热系统材料进展

一、防热系统材料方案选择 载人航天器防热系统设计与材料问题是公认的实现载人航天的一个关键技术问题。世界各国很重视载人航天器的防热系统材料研究。特别是航天飞机要求多次重复使用(美国和前苏联是设计使用100次),而且是载人飞行,因此要求安全可靠的、耐高温的、轻质的热防护材料。 1973年美国在进行航天飞机轨道器设计时,决定采用防热和结构分开的设计方案,即除鼻锥帽和机翼前缘采用热结构外,机身、机翼的其他部位采用冷结构加防热层的方案。如蒙皮结构采用常规航空铝合金来承载,它的外面采用轻质陶瓷瓦起防热隔     

统一热管理的疏导式防热系统概念研究

对各种防热、热控机理基本规律进行了梳理和研究,认为要进一步提高系统性能,需要进行结构、防热、热控一体化设计。基于这种设计思想,提出了一种将航天器防热、热控和结构相结合的“统一热管理的疏导式防热系统”,在传统防热机制的基础上,加入原先主要用于热控的各种热传输机制,进行防热、热控和结构等子系统间热的统一管理。应用这种系统,可提高防热效果,减轻飞行器的结构重量,减轻高热流区材料与结构的耐温负担,有可能实现长时间、超高速大气层机动飞行器的前缘尖化,还可使整个防热层趋于等温,易于热控处理,减小结构热应力。文章还分析了疏导式防热系统的应用前景,并针对几种典型的航天器（尖鼻锥和尖翼前缘的高超声速巡航飞行器、返回式航天器和载人飞船）提出若干适用的疏导式防热系统的方案设想。