返回舱/空间探测器热防护结构发展现状与趋势

针对中国天地往返和深空探测领域对热防护结构的需求,综述了国内外返回舱和空间探测器热防护材料/结构的发展现状,着重介绍了包括蜂窝增强热防护材料、纤维增强热防护材料、组合式热防护结构以及展开式热防护结构等在内的代表性热防护材料/结构的设计理念和性能特征。在系统总结热防护结构发展趋势的基础上,分析了返回舱和空间探测器热防护结构发展中存在的关键问题,可以看出：纤维增强热防护材料在热防护结构重量方面表现出了突出优势,材料拼接设计成为结构发展的重要阻碍;组合式热防护结构设计在现有材料发展水平的基础上,将成为提高热防护结构效率的有力途径;展开式热防护结构有望使航天器有效载荷重量显著提升,但受限于柔性热防护材料性能和结构工艺,仍有待发展。更加频繁的天地往返运输和深空探测项目的开展必将对热防护结构发展产生巨大的推动作用。     

镍基单晶高温合金DD6气膜孔热机械疲劳试验

涡轮冷却叶片气膜孔边存在大应力梯度,且服役时承受交变的机械载荷和热载荷,热机械疲劳（TMF）是其主要失效模式。通过开展带气膜孔和不带气膜孔的薄壁圆管试件TMF试验研究了气膜孔对镍基单晶高温合金TMF寿命的影响。结果表明最大循环应力在300~500 MPa应力范围内,循环应力幅值与镍基单晶高温合金TMF寿命呈现良好的对数线性关系,且气膜孔导致镍基单晶高温合金TMF寿命下降可达82.5%。继而完成了横向取向分别为〈010〉、〈110〉方向的气膜孔模拟件试验,结果表明气膜孔取向为〈110〉时寿命最短,仅为〈010〉取向的40.0%。最后开展了不同制孔工艺下的气膜孔模拟件试验,结果表明激光制孔气膜孔模拟试件寿命仅为电液束制孔气膜孔模拟试件的54.0%。气膜孔模拟件断口分析表明:TMF裂纹均萌生于气膜孔边,源区氧化严重;裂纹沿着大致与气膜孔边垂直的方向扩展。      

星载双反射面天线热变形测量数据处理方法

文章针对星载双反射面天线,根据常温、高温、低温3种工况下的天线热变形原始测量数据,基于标准抛物面拟合理论及公共点转换理论,提出了一种用于天线主反射器形状热变形及副反射器位置变化分析的测量数据处理方法,准确指导了星载天线的在轨性能预判分析,并为后续多种星载天线热变形的测量分析提供了新的参考方法。     

多目标约束下的民机舱室气流组织优化研究

民机客舱内的气流组织和人体热舒适性受到送风形式、送风温度和风量等多种因素的影响。在现代民机舱室设计中,客舱新风的送风形式很大程度逐渐受限于舱室美学设计方案。本文采用CFD流体仿真技术,结合客舱内饰设计对民机客舱的热环境和舱内人体热舒适性进行研究。本文建立了适用于民机客舱热环境仿真的多目标优化方法,对新型行李箱结构设计下的顶部送风口的位置进行优化分析,优化结果能够明显改善民机客舱内的空气分布和乘客的热舒适性。研究发现新型行李箱结构会使得顶部新风产生贴壁流动的康达效应。康达效应会很大程度上改变顶部新风的流动轨迹,影响新风利用率和乘客的舒适性。     

GAP/CL-20固体推进剂的力学性能

采用单向拉伸试验、扫描电镜、动态热机械分析等方法研究了增塑比、固含量及固体组分相对含量等配方因素对GAP/CL-20推进剂力学性能的影响,并对各因素的影响进行了简要分析。研究结果表明,增塑比提高,伸长率提高、抗拉强度降低,损耗因子增大、玻璃化温度降低,推进剂结构更加致密紧实;固含量提高,推进剂伸长率降低、抗拉强度提高,损耗因子和玻璃化温度均提高;固体组分中有利于提高伸长率和抗拉强度的顺序为Al粉、CL-20、AP。分析认为,颗粒粒度是固体组分相对含量影响推进剂力学性能的主要原因。     

绕月与月面探测热环境及影响因素研究

为全面分析绕月和月面探测器可能经历的热环境作为热控设计依据,文章给出了典型高度和β角的环月圆轨道中,绕月探测航天器接收的太阳和月球红外热流密度及其变化规律。针对复杂月表地形,提出并采用月面三维月壤热模型,计算给出了不同太阳高度角下月面探测器在常规平坦月表的外热流密度情况,定量研究了月面山丘高度及其与探测器距离对探测器表面接收红外热流的影响程度,定性分析了复杂月表地形和月尘对探测器表面红外热流的影响。     

碳纳米管薄膜电热特性及其除冰性能

采用碳纳米管薄膜(CNTF)作为电加热元件,研究碳纳米管薄膜对玻璃纤维增强树脂基复合材料结构表面的除冰性能,同时研究其电热性能。SEM14μm左右。XRD表明CNTF样品为微晶结构,结晶度差且含有少量杂质。空气环境通电,升温速率和最高恒定温度随输入电压增大而迅速提高。输入电压为5 V温度95℃。在四次电热循环后,其表面电阻略有升高,均值从2.795Ω到3.870Ω。在9 V输入电压下,CNTF被迅速烧断,CNTF样品电流承载极限在1.8 A左右。利用其焦耳热性能进行除冰,质量为20 g冰块在树脂基玻璃纤维复合材料样品的表面脱落时间为240 s。表明CNTF在飞机除冰领域具有潜在应用价值。     

热/力联合作用下壁板结构相似准则研究

全尺寸结构地面热/力联合试验是高速飞行器受热结构基本力学性能考核验证试验,为降低试验成本,有必要对全尺寸结构地面热/力联合试验缩比技术开展研究。本研究以壁板结构为对象,以结构热弹性理论和相似理论为基础,利用相似理论的方程分析法建立了均匀温度/力载荷联合作用下壁板结构的相似准则,并通过有限元仿真分析,验证了所建立的相似准则的正确性。研究结果对高速飞行器结构地面热/力联合试验有一定指导意义。     

置氢钛合金超塑成形/扩散连接技术研究进展

钛合金作为航空工业中广泛应用的轻量化高强结构材料,其成形与加工技术历来备受关注。实践证明热氢处理技术应用于钛合金有助于改善其热加工性能和优化组织性能。综述了置氢钛合金超塑成形/扩散连接技术的研究进展,介绍了热氢处理对不同种类钛合金组织、超塑性及扩散连接行为的影响规律,总结其影响机理,为置氢钛合金超塑成形/扩散连接技术的工业化应用提供参考。     

MTPS金属蜂窝夹芯结构尺寸效应的数值分析

金属蜂窝夹心结构是可重复使用金属热防护系统的主要子结构,优化其结构参数,是提高设计质量的重要环节。根据修正Gibson公式与最小势能、余能原理推导出蜂窝夹芯层的9个等效弹性参数。考虑金属蜂窝夹心结构总质量与沿厚度方向的挠度值多指标要求,采用有限元正交数值迭代模拟方法,对结构的尺寸效应进行分析,并优选出良好的结构参数。分析结果表明：影响最大的结构参数依次为金属蜂窝的高度、蜂窝的壁厚、面板厚度及蜂窝内切圆直径。