轻质点阵主动换热壁板热力耦合分析

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1研究背景及意义随着航天航空事业的快速发展，新一代具有更快速度、更轻重量的航天飞行器成为各国着力研究的重点，尤其是对高超声速飞行器的研制。高超声速飞行器一般是指飞行速度超过5倍音速的导弹、飞机、炮弹之类的有翼或无翼的飞行器，它具有极高的突防成功率和侦查功能，能大大拓展战场空间。因其潜在的巨大军事和商业价值使得当前军事大国纷纷投巨资到该领域，而成为21世[1,2]纪乃至未来世界航天航空事业发展的一个主要的方向(图1-1为NASA研制的X-43A高超声速飞行器演示图）。图1-1NASA研制的X-43A高超声速飞行器演示图高超声速飞行器在服役时

2、，高速气流与机体表面会发生剧烈压缩、摩擦以及粘性耗散作用，绝大部分动能会转化为热能而使机体表面接触的空气层温度[3]急剧升高，热能会迅速的向飞行器的表面传递，这种现象称为“气动加热”。一般情况下，当高超声速飞行器的马赫数Ma在6~8（碳氢燃料所能达到的最[4]高马赫数）时，飞行器前缘结构的驻点温度T>1400°C。而且随着马赫数的不断增大，气动加热程度越来越严重，前缘结构驻点区域的空气温度与马赫数[5]Ma的平方成正比关系。与此同时，在工程实际中，为了使飞行器受到的气动阻力尽可能降低，通常会把前缘结构的尖端设计的非常尖锐，其半径是以mm为数量级，这样必然会加剧气动加热程度，增大气动

3、热对结构稳定性和承载能[6]力的影响，严重时甚至会导致结构材料失效而造成不可预料的后果。如图1-21万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文为美国“猎鹰”HTV-2气动加热效果图，其最高飞行速度近22个马赫数，飞行过[7]程中表面产生的最高温度达3000°C。图1-2美国“猎鹰”HTV-2气动加热效果图因此，对高超声速飞行器的气动加热环境进行准确评估，并对前缘结构进行合理的热防护设计是高超声速飞行器研究领域的重大技术问题。对于结构布局进行设计，既要求结构各部件具有良好的换热性能以确保在高温下不被烧蚀，又要使其满足一定的强度和刚度等要求来实现结构的承载功能。除热防护问题外，轻量化也是设

4、计者们所追求的目标。研究表明：高超声速飞行器性能的提[8,9]升主要受轻量化、高强高韧性以及换热性能等多方面因素的影响。由于飞行器发动机的推力是有限的，因此对飞行器适当的轻量化设计，意味着飞行器能够获得更高的机动性、更大的推重比以及更长的服役里程，在相同燃料消耗的[10,11]情况下，其有效的载重量越大。为了解决飞行器结构的热防护及轻量化问题，科研人员一方面在积极寻找有效的热防护材料，另一方面在精心设计飞行器的气流轨迹和气动外形以将材料、结构和功能进行一体化设计从而得出最优的设计方案。然而，结构的轻量[10,13]化设计和良好的散热承载性能很难同时得到满足。例如，壁板减薄等方案虽然

5、在一定程度上可以使结构实现轻量化，但会使结构的刚度强度大幅降低，包括高温引起的材料性能严重退化和热应力引起的结构刚度性能变化等；换热壁板通常会使结构沿厚度方向存在较高的温度梯度水平，当受到约束时会产生严重的应力集中从而导致结构或功能丧失完整性等。因此，在进行飞行器结构2万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[10,11]设计时要同时考虑热防护和高温结构的强度和刚度性能等方面的因素。新型的点阵夹芯结构正顺应了高超声速飞行器的材料、结构以及多功能一[14]体化协同的设计理念。点阵夹芯结构具有比强度大、比刚度大以及断裂韧性很高等优点，是当前国际上公认的最有应用前景的先进超轻量化、超强韧性

6、的[15]结构材料。与传统的结构材料相比较，它不仅具有良好的力学性能，而且在散热、吸能以及减震等多方面存在潜在优势，是实现结构多功能一体化设计的[12,15]首选结构。本文将具有多功能性优势的轻量化点阵夹芯结构和具有良好流动换热性能的槽状冷却通道进行有效整合，提出了一种新型轻质点阵主动换热壁板结构，即将冷却通道集成到点阵夹芯结构的面板中，使结构既能充分发挥冷却通道的高效流动换热优势，又能发挥点阵夹芯结构的高比强度、比刚度及轻量化设计的优势。因此，针对轻质点阵主动换热壁板结构的研究具有十分重要的意义。1.2国内外研究现状1.2.1结构换热性能研究现状近年来，国内外专家学者已经对各种热

7、防护结构的换热性能进行了大量的[16,17,49]研究，采用的方法主要是有限元分析。WursterKE指出高超声速飞行器热防护结构主要分为被动式和主动式，被动式包括热沉、隔热、烧蚀、辐射以及热管传导与辐射相结合等，该结构具有设计简单、气动外形恒定不变的优点，但是存在换热效率低、适用温度较低的缺点，工作范围一般为200C~1000C；主动式主要包括发汗、薄膜、主动换热等，研究表明，该结构具有最优的换热效率，但是目前仍有许多关键技术问题亟待解决，对结构材料的性能要求很高以