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。     

金属热防护系统设计的有限元分析

对可重复使用运载飞行器金属热防护系统进行了有限元分析,计算发现超耐热合金防热结构中下层蜂窝夹芯板的存在会增加结构的质量,但是并不会提高绝热性能,因此改进型防热系统取代了超耐热合金防热系统。比较分析了板间缝隙宽度和辐射率对防热结构底部最大温度的影响,表明减小板间缝隙是消除缝隙辐射的最好办法。分析了模拟条件对热防护系统尺寸设计的影响:初始温度为0℃时比为40℃时最大可以减少17%的厚度和7.7%的质量;考虑热损失厚度最小可以降低26%,质量最小可以降低7%。     

热套转子力学模型研究

本文提出了描述热套盘鼓转子的力学模型,该力学模型刻划了热套连接处的力学性状。本文导出了热套段模型的传递矩阵表达式。为考察这一力学模型的正确性,对若干热套转子进行了理论计算和实验的对比研究。两者结果的一致性证实了力学模型的有效性。     

金属蜂窝夹芯板瞬态热性能的计算与试验分析

 掌握热防护系统(TPS)中热结构超合金蜂窝面板在热环境下的传热隔热特性,是飞行器防热结构设计的先决条件。从镍基高温变形合金蜂窝板隔热试验出发,结合蜂窝板的试验和实际使用环境下的对流换热理论分析,建立了考虑夹芯的辐射、传导和对流传热形式的蜂窝面板的瞬态传热数值计算模型,得出镍基合金蜂窝板在高温下的防热特性。通过与试验结果进行对比,分析了试验误差和不同环境间的修正。讨论了部分蜂窝板设计参数对隔热效果的影响,得到了不同材料常数和蜂窝芯壁厚对隔热效果的影响规律。     

复合材料多紧固件接头的热载荷研究

 用有限元素法作为二维问题研究受拉伸载荷的多紧固件接头的力的分配,已获得了满意的数值解。在此基础上,本文集中研究了复合材料多紧固件接头的热载荷分配。 1.计算模型 研究具有n排紧固件的对称接头,作如下假设:（1）问题是线性弹性的;（2）孔位置准确,且与紧固件紧密配合,无间隙;（3）被连接的每块层板处于均匀温度场,     

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、提高可靠性的要求。     

应用表面热膜测定NACA0012翼型边界层转捩区位置的实验研究

 本文所述的实验研究,是将自行研制的M-I型表面热膜用于测定NACA0012翼型上表面的转捩区的实验。当翼型迎角α改变时转捩区位置随之改变,见图3。实验证明这种技术是令人满意的。     

气流沿尖锐机翼边缘分离时的气动载荷的数值计算

 本文考虑定常、无粘、亚音速流中任意平面形状的平板机翼在大迎角下气流沿尖锐边缘分离出现脱体涡时的气动载荷数值计算。采用涡格法,对旋涡强度与前、侧缘脱体涡线和后缘尾涡线的位置进行松弛迭代计算,取得了收敛的结果。本方法对机翼平面形状没有限制,只要假定其尖边缘处气流产生分离。本方法还用于前后翼干扰计算,其中前翼被假定沿尖边缘产生气流分离。算例计有三角翼,矩形翼,箭形翼和后退梯形翼以及前后翼干扰等。不可压情况和可压缩流情况都分别进行了计算,计算结果与可以找到的实验数值进行了比较,结果很接近。     

用热膜法测跨音速机翼抖振边界

 本文给出了一种测试机翼抖振的新方法——热膜法,并描述了热膜法测量机翼抖振的原理及技术。实验结果与有关资料相比有较好的一致性。这表明热膜法是机翼抖振测量的好方法。     

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。     

接触热阻对疏导式热防护结构防热效果的影响

采用内置高温热管的疏导式热防护结构是一种新型高效的热防护方式,热管与高温复合材料之间的接触热阻(TCR)对防热效果有重大的影响。首先给出了一种疏导式热防护结构的计算模型,进而采用间接耦合的方法建立了由接触热阻引起的热力耦合问题的计算格式,在此基础上对不同预留间隙条件下的热防护结构进行了热力耦合分析,重点考察了接触热阻对其防热效果的影响。研究结果表明,采用预留装配间隙的方法可以有效降低结构的应力水平,但同时使得界面接触热阻增加,从而使得结构驻点温度升高,因此在采用预留间隙设计时必须在考虑界面接触热阻的条件下从结构强度和温度两方面对结构进行安全性评估。     

热防护系统高温纤维隔热毡传热及有效热导率分析

针对重复使用运载器热防护系统纤维隔热毡内部导热和辐射的耦合换热问题进行了分析,应用有限差分法建立了纤维隔热毡的数值分析模型.通过数值求解传热方程,计算了稳态的有效热导率.计算结果表明辐射和气体传导是纤维隔热毡内的主要传热方式,辐射作用随压力和试样密度的增加而降低,在试样温度高的一侧辐射是主要的传热方式,而在温度低的一侧气体传导为主要的传热方式;试样的有效热导率随纤维的平均直径、压力和温差的增加而增加,随试样密度的增加而降低.本文的计算结果与文献中的实验结果吻合较好,可以为纤维隔热毡及热防护系统的优化设计提供理论参考.     

尖化前缘高导热材料防热分析

针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境,提出疏导式热防护结构( TPS),为飞行器前缘提供热防护.采用有限元法和有限体积法,分别对在特定工况下飞行的尖化前缘固体域和流体域进行计算,验证了前缘内嵌高导热材料的防热效果,其中来流马赫数为6.5时,头部壁面最高温度下降了13.6％,尾部最低温度升高了16.7％,实现了热流...     

准一维传热下冷面绝热边界材料对隔热试验结果的影响

为评估冷面绝热边界对试验结果的影响,在充分验证测控系统可控性和试验方法稳定性的基础上,分别以柔性隔热毡、刚性隔热瓦和纳米隔热材料为冷面绝热边界,对陶瓷纤维刚性隔热材料进行500℃、3 000s的石英灯热辐射考核试验,并利用迭代绝热边界当量热导率的方法对试验结果进行了模拟计算和分析。结果表明,以柔性隔热毡为冷面绝热边界时隔热材料的冷面温度最高,刚性隔热瓦和纳米隔热材料为冷面绝热边界时则冷面温度较低且相近,3者间最大相对偏差高达19.0%。模拟计算证实由冷面绝热边界材料引起的接触热阻对试验结果起到了决定性作用,而不简单地取决于绝热边界材料的隔热性能。     

可重复使用飞行器热防护系统辐射-传导复合传热分析

针对可重复使用飞行器再入过程中热防护系统的复杂辐射-传导传热问题,采用有限元方法并结合仿真软件ANSYS的参数化分析语言APDL,对可重复使用飞行器热防护系统进行参数化求解,模拟再入条件下热防护系统内部辐射和传导复合换热,预测内部瞬态温度响应。通过与试验数据的对比,验证了方法的有效性,并利用此方法对金属热防护系统进行热分析和质量优化。     

航天服隔热材料技术研究进展

为明确我国未来航天服被动热防护技术的应用发展方向,结合国内外在用近地轨道航天服隔热材料技术的发展现状和先进航天服隔热材料的设计需求,对先进航天服隔热材料的相关研究进行了评述.目前,多层隔热组件是在近地轨道和月面等高真空环境下隔热效果最理想的材料,但为提高服装的活动性能和对空间环境的适应能力,需作进一步改进.纤维类材料在航天服隔热应用方面具有传统优势,但在面向火星任务为代表的低真空环境的深空探测中,未能达到热导率和材料厚度相结合的隔热目标;气凝胶类材料具有较低的热导率,在火星大气环境下具有最好的隔热性能,但无法规避粉尘污染及机械耐久性等问题.研究具有更细纤维尺度和特殊空隙结构的纤维种类,制备具有柔韧耐久特质的有机气凝胶材料,探索具有不同技术优势的材料的组合应用,将成为解决未来先进航天服隔热问题的主要途径.     

飞机发动机冷气道与隔热层的耦合传热分析

数值研究了某飞机发动机外侧冷气道与隔热层的耦合传热过程。采用低雷诺数k-ε模型与SIMPLEC算法计算通道内可压缩变物性气流的湍流对流换热,采用蒙特卡罗法求解通道壁面间的辐射换热。通道内气流湍流对流换热、壁面间辐射换热与隔热层内导热耦合求解。通过模拟计算,分析了通道与隔热层的耦合传热机制,考察了相关参数的影响。结果表明,在所考虑的通道结构与空气流条件下,冷气道外环壁面的温度高于气流温度,气流对内外环壁面均起冷却作用;在隔热层参数不变条件下,壁面间的辐射换热与气流的对流冷却是该传热过程的控制机制,增大冷气流量、降低壁面发射率均可显著降低隔热层的外壁面温度。     

飞行器百千瓦级相变储热换热器性能仿真研究

机载激光武器每次工作时会产生几百千瓦的废热,国外研究机构普遍采用相变储热换热器,对其进行短时存储、长时排散。基于此,针对国际先进相变储热换热器技术进行探索性研究,提出一种三通道板翅式相变储热换热器构型,通过数值模拟的方式,定量分析了换热器主要结构参数对工作性能的影响。结果表明,热流体出口温度随相变材料通道翅片高度的增加而下降,且随流体通道翅片高度和翅片节距的增加而上升。此外,换热器内部区域存在低效储热区、高效储热区和控温缓冲区3个部分,需要通过设置多流程的方式,以确保蓄热期间内热流体出口温度始终满足设计要求。