再入航天器防热层/金属结构热匹配评价方法研究

概述了在轨温度交变环境下再入航天器防热层/金属结构热匹配的3种评价方法———温度交变试验、热应力理论计算和有限元模型分析。结合工程实际,介绍了3种方法的应用情况和应用特点:温度交变试验可以定性研究温度交变环境及胶层厚度对结构热匹配特性的影响;热应力理论计算能够在一定程度上量化结构热应力等结果;有限元模型分析可以获得结构任意时刻、任意位置的热应力与热变形的量化数据,具有较大的应用优势。通过对比分析,建议采用温度交变试验与有限元模型分析相结合的方法,以实现防热层/金属结构热匹配特性的准确评价,最终验证防热结构方案设计的合理性。     

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。     

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。     

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。     

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...     

运载火箭柔性防热材料隔热性能的试验研究

为获知运载火箭二级飞行段尾舱用柔性热防护材料的隔热性能,设计了热真空试验方案,采用石英灯加热器模拟辐射热源,在真空罐内开展了辐射热环境下材料隔热性能的试验研究,得到防热材料内外表层温度测点在20 kW/m2热流下保持800 s时间的试验数据;分析不同材料(组合)的隔热性能及其差异产生的原因,给出辐射热环境下热防护结构的选材建议。在本试验工况下,2层玻璃纤维带+2层硅橡胶布+2层镀铝薄膜的组合可使其内部温度降低到192℃,低于电缆正常工作上限(200℃),满足防热要求。试验结果可为今后的运载火箭在大气层飞行段内的防热设计提供参考。     

载人航天器光壳结构用胶接支座设计与强度分析

针对载人航天器密封舱的光壳结构,设计了一种变厚度的胶接支座,并对其胶接强度进行了仿真分析和试验验证,得出了胶接支座的承载能力,为在光壳结构上使用胶接的形式进行安装孔设计时提供了设计参考。     

中国新一代载人飞船返回舱热控设计优化研究

文章针对新一代载人飞船返回舱再入过程气动热环境和返回舱传热特性,建立了气动热环境下返回舱动态耦合传热集总参数模型,能够描述返回舱防热层内侧蜂窝板、舱体、设备和舱内空气间的导热、对流及辐射动态耦合换热过程。文章应用该模型对典型新一代载人飞船返回舱气动热环境下的传热特性进行了分析,提出了防热烧蚀层内侧铝蜂窝板表面包覆多层隔热材料、增强舱外设备与返回舱壁热耦合、降低设备表面红外发射率等返回舱热控优化设计措施。热控优化措施应用于中国新一代载人飞船试验船,并通过首次在轨飞行验证,在近第二宇宙速度返回气动热环境下,返回舱结构、空气、设备等各项温度指标均满足指标要求,验证了返回舱热控设计的合理性。研究结果可为返回式航天器热控系统设计提供参考。     

充气式再入航天器结构参数优化及防热试验工程方法

用工程算法对充气式再入航天器的全展开半径,半锥角,刚性头锥半径与全展开半径之比三个方面的参数进行了优化计算,获得同时满足航天器质量,刚性头锥及柔性防热系统温度约束条件的充气式再入航天器的设计方案,计算得到了优化设计方案整个再入过程的外热流密度和温度变化规律,并且通过与文献中数据对比,验证了文中工程算法的正确性。针对再入过程的外热流密度和温度条件,参考充气式再入返回试验(Inflatable Reentry Vehicle Experiment,IRVE)典型防热材料,设计不同的柔性防热系统结构试验件。最后,通过热冲击试验,得到了各试验件冷端的温度响应,验证了各试验件在再入温度条件下防热性能。文章提出的柔性防热系统结构的改进方向,可为充气式再入航天器的设计分析提供参考。     

薄壁密封舱大承载胶接结构设计

载人航天器大型化、轻量化的特点对结构效率提出了更高的要求,文章提出一种薄壁密封舱大承载胶接结构设计方法,通过采取胶接区域变厚度设计、通气孔分布式设计、打磨工艺设计和抽真空加压设计等针对性改进措施,有效解决了"浴盆效应"、支座与舱壁的刚度匹配、舱壁局部表面处理以及胶接加压等问题。仿真分析和试验表明:支座在胶层剥离前可承受约12 000N的剪力,胶接性能得到明显提高,此方法可用于密封舱舱内结构设计。     

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对“火星探路者号”（Mars Pathfinder）探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。     

整星热试验容器强度及稳定性分析设计

空间环境模拟器真空容器结构设计必须考虑外压载荷和设备载荷,进行详细的结构力学分析计算,使其结构安全可靠。文章采用有限元方法计算分析了容器的强度和稳定性,获得了复杂结构载荷下的应力和临界屈曲压力,在此基础上对容器进行了强度和稳定性评价,所得结果可为容器结构设计提供可靠的依据。     

辐射器冷屏辐射热分析

文章主要对辐射器冷屏进行了传热设计。由于冷屏翅片的长度和厚度决定翅片的两端温差,因此对翅片结构尺寸进行了优化设计,并且通过有限元方法对热设计结果进行进一步校核分析。对比计算结果表明：两种设计计算结果基本吻合,能够满足设计要求。     

高超声速飞行器热防护结构参数优化及对比分析

高超声速飞行器对结构性能、热防护性能以及结构重量有很高的要求。为了获得最小的结构重量,文章从热防护的角度进行了优化分析:分别选择铝合金和先进复合材料作为蒙皮,在不同的热载荷条件下,对多种热防护结构（TPS）建立一维传热模型,并进行了结构尺寸优化,得到了单位面积TPS的最小重量;分析飞行器再入过程中的温度载荷、再入时间以及蒙皮材料可承受的最高温度对热防护结构最小重量的影响。ANSYS仿真分析结果表明:温度对TPS的单位面积最小重量有显著影响,LI900刚性陶瓷隔热瓦和先进金属蜂窝夹层防热结构有重量优势;采用复合材料蒙皮的TPS可使重量大幅减轻;飞行器再入时间和再入初始温度对刚性陶瓷隔热瓦重量的影响大于对金属盖板式隔热结构。     

舱段结构热振耦合环境下仿真分析

针对武器装备对环境适应性要求不断提高的现状,以某舱段结构为研究对象,基于高加速应力筛选试验(HASS)条件,研究了结构在温变-振动耦合环境下的失效机理。首先,结合HASS试验剖面,确定了载荷条件,建立有限元模型;其次,采用ANSYS Workbench软件分析得到结构温度场分布及应力响应,确定了结构危险位置,并对其疲劳寿命进行计算分析,为舱段结构的失效分析及HASS试验剖面的合理制定提供依据和指导。     

光子晶体热控结构防护性能研究

光子晶体在红外波段同时具有高反射率和高辐射率,可作为高超声速飞行器的防热材料。文章利用FLUENT软件和辐射模型中的离散坐标算法对有/无光子晶体防热层结构进行了气动加热数值模拟计算,得到了在不同热流密度条件下基体的温度分布;通过计算结果的对比发现,采用光子晶体防热层结构使基体温度下降约360～515 K,具有良好的热控性能。光子晶体是一种具有广阔应用前景的热防护材料,作为高超声速飞行器的防热层结构的可行性与有效性还有待深入研究。     

空间伸展臂热应变与热变形光纤监测技术

针对空间伸展臂在热载荷作用下承载特性与形态变化的监测需求,提出了一种基于分布式光纤传感器的伸展臂结构温度、热应变以及热变形集成监测技术。借助ANSYS Workbench有限元分析软件,构建了单端热载荷作用下铝合金空间伸展臂结构热-力模型,分别得到不同局部热载荷下伸展臂轴向温度、热应变以及热变形分布与变化规律。在此基础上,提出了基于有限元分析与热传导理论的两类伸展臂轴向热变形计算方法。构建了分布式光纤传感监测系统,实时监测伸展臂若干关键位置的温度值与应变值,进而反演出结构轴向温度场、应变场连续变化信息。研究表明:采用有限元拟合法与热传导解析法计算所得伸展臂轴向热变形误差分别为5.256%与3.556%。相关成果能够为未来航天器在轨服役状态监测与辨识提供技术支撑。     

某航空相机载荷舱热分析与热设计

航空相机的热控设计需要解决流动与传热的耦合问题。文章提出某航空相机载荷舱在复杂飞行环境中上升、巡航、下降全过程的热分析及热设计方法：确定载荷舱热分析数据流,采用专业热分析软件、流体计算软件计算辐射外热流、气动外热流,以及等效对流换热系数沿壁面分布情况及与马赫数的变化关系。将热环境赋予载荷舱热分析模型,通过热分析软件与自开发程序迭代对载荷舱两个极端工况进行了仿真分析。结果表明,据此设计的光学窗口内表面温度高于露点温度10℃以上,得到的载荷舱热分析结果满足热控指标要求,热设计方案合理可行。     

一种卫星双组元推力器羽流热影响分析方法

给出一种分析星上设备受双组元推力器羽流热影响的方法。首先,提取待分析设备三维模型的STL(stereo lithographic)数据;然后,根据STL数据中三角形网格的法向矢量选取有效的三角形网格;最后,利用STL数据和推力器羽流热流场分布函数建立羽流热影响分析模型。不管设备表面能否用解析公式表达,文章提出的方法均能分析推力器羽流对其产生的热影响。