新型一体化热防护系统热力分析与试验研究

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1、航空学报Ｓｅｐ．２５２０１３Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．９２１６９－２１７６ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａＩＳＳＮ１０００－６８９３ＣＮ１１－１９２９／Ｖｈｔｔｐ：／／ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｈｋｘｂ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｄｏｉ：１０．７５２７／Ｓ１０００－６８９３．２０１３．０１２４新型一体化热防护系统热力分析与试验研究解维华＊，霍施宇，杨强，杜翀，孟松鹤，韩杰才哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术重点实验室，黑龙江哈尔滨１５００８０摘要：高速飞行器对结构效率的苛刻要求使得热防护系统不断趋于向

2、轻质化、集成化方向发展，新型的力热耦合一体化热防护系统（ＩＴＰＳ）极具发展潜力。首先阐释了一种新型一体化热防护方案的概念与特点，总结了一体化结构设计的基本原则，数值分析了结构参数对背面温度响应、屈曲临界载荷的影响，结果表明腹板厚度对背面温度以及屈曲临界载荷的影响最大。然后设计并加工制备了ＩＴＰＳ的面板与单胞试验样件，分别展开了８００℃的高温防隔热性能试验考核和屈曲性能的力学试验研究；试验表明腹板结构是引发热短路效应和屈曲的关键因素，屈曲试验与模拟结果吻合，高温屈曲分析表明温度梯度对屈曲特征有较大影响。关键词：热防护系统；力热结构耦合

3、；一体化设计；屈曲；防隔热性能中图分类号：Ｖ４１４．９文献标识码：Ａ文章编号：１０００－６８９３（２０１３）０９－２１６９－０８［３］新一代的航天器、运载器和空天飞行器等高碳／碳化硅＋高效隔热材料的一体化方案；速飞行器对结构轻质化提出了苛刻的要求，有氧③碳／碳＋多孔碳泡沫防隔热一体化方案。第１环境、高动压与高超声速气动热／力耦合等因素对种方案是一种在波纹夹芯结构中填充隔热材料的飞行器的热防护技术提出了严峻的挑战。飞行器结构形式，它的结构相对简单且具有可设计性，是热防护技术发展至今出现了多种形式，包括航天一种极具发展潜力的热防护形式，

4、如图１所示。飞机的防热瓦、隔热毡、金属热防护系统以及各种其设计理念是机身外部不再需要单独的热防护系烧蚀型和主动冷却型的热防护系统。但目前对于统，本身既是机身结构又是热防护系统，集结构、［１］防热机制的深层次认识还难以跟上高速飞行器的防／隔热和承载功能为一体。波纹夹芯结构本发展需求，从国内外热防护技术的发展情况来看，身并不是一个新的结构形式，早在１９５１年Ｌｉ－［４］热防护系统研究正在向“防热－承载－结构功能一ｂｏｖｅ和Ｈｕｂｋａ就对波纹夹芯板的弹性常数展体化”和集成化、低成本与高结构效率的一体化方［５－６］开了研究，而后Ｌｏｋ等利用

5、变形力关系将各［１］向发展。向同性材料构成的波纹夹芯板等效为二维正交各目前，新型的一体化热防护方案主要有３种向异性板，得到了弯曲刚度矩阵和弹性常数。目类型：①美国佛罗里达大学和美国国家航空航天前，美国弗罗里达大学和ＮＡＳＡ兰利研究中心针局（ＮＡＳＡ）兰利研究中心提出的波纹结构＋高效对适用于一体化热防护系统（ＩＴＰＳ）的波纹夹芯［２］隔热材料方案；②欧洲航天局为Ｐｒｅ－Ｘ提出的结构开展了结构的设计、分析等方面的数值模拟收稿日期：２０１２－１１－０５；退修日期：２０１２－１１－２８；录用日期：２０１３－０２－０２；网络出版时间：２０１３

6、－０３－０８１５：３５网络出版地址：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．１９２９．Ｖ．２０１３０３０８．１５３５．００３．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金（９１２１６３０２，９１０１６０２９，１１２７２１０７）＊通讯作者．Ｔｅｌ．：０４５１－８６４０２３４３Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｉｃｈａｅｌ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ引用格式：ＸｉｅＷＨ，ＨｕｏＳＹ，ＹａｎｇＱ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍａｌ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｅｓｔｓｔｕｄｙｏｆａｎｅｗｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅ

7、ｍ．Ａｃ－ｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１３，３４（９）：２１６９２１７６．－解维华，霍施宇，杨强，等．新型一体化热防护系统热力分析与试验研究．航空学报，２０１３，３４（９）：２１６９２１７６．－２１７０航空学报Ｓｅｐ．２５２０１３Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．９［７－８］研究。其中Ｍａｒｔｉｎｅｚ等通过应变能法和坐标点是一体化热防护系统＝传统热防护系统＋机变换，将由对称层合板构成的夹心板等效成为正身，并且这种一体化是防隔热材料与承力结构的交各向异性厚板，得到了包含拉伸刚度、弯曲刚度高度融合。一体化热防

8、护系统的面板由于具有较和横向剪切刚度的等效刚度矩阵。在此基础上，高的面内刚度和法向刚度，能够承受法向剪力与考虑沿厚度方向温度梯度的影响，针对一体化结弯矩，并允许在不同面板之间传递分配载荷，使其构单胞，分析了由热和力作用下的应力与应变，