航天飞行器热防护系统的一体化设计

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1、第23卷第3期航天器工程V01．23No．3；!!!生!旦曼里垒堡堡堡垦垒里!垦堕生!盟堡垦墨!盟鱼!航天飞行器热防护系统的一体化设计范绪箕(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030)摘要航天飞行器进入大气层时经受强烈的气动加热，需借助于热防护系统以保护其免受气动热的伤害；飞行器机翼前缘和鼻罩是最高温区，该处的温差相当大，热防护措施尤其重要。作为热防护系统一方面要抵抗强热的冲击，另一方面要最大限度地减少气动热传入结构的内壁，这就对防热系统所用材料提出不同的要求。抗热冲击要求材料质密而隔热但又要求质轻，这就是矛盾所在。随着复合材料的发展，这对矛盾可以通过利用不同材料特

2、性把防热系统分层来解决，从而导致一体化设计的概念和方法。本文利用热传导理论对两层结构的防热系统进行一体化设计分析。关键词航天飞行器；热防护系统；一体化设计中图分类号：v462文献标志码：ADOI：10．3969／j．issn．1673—8748．2014．03．001IntegratedDesignofSpacecraftHeatProtectionSystemFANXuji(SchoolofMechanicalandPowerEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030，China)Abstract：Aspac

3、ecraftatreentryintoatmospherewouldundergosevereaerodynamicheating，hencesomekindofthermalprotectionsystemmustbeprovidedtosomepartsofthestructure，especiallyonitsfrontnoseandleadingedgeofthewing．Theseprotectionsystemsmustwith—standtheheatimpactandatthesametimeretardtheheattransmissionintotheu

4、nderstructure．But，theserequirementsarecontradictoryformaterialsofthermalprotectionsystem，sincetore—sistthermalimpactrequiresamaterialofhigherdensity，whilsttoretardheattransmissionre—quiresamaterialoflowerdensity．Ifaheatprotectionsystemisconstructedintwolayers，eachservesaparticularpurpose，t

5、ogethertheycouldsatisfytheentireheatprotectionrequirements．ThethicknessofthetWOlayerscanbeadjustedthroughmathematicalmanipulationstogiveagoodresultinweightandeconomy．Theaboveprocedure，calledintegrateddesignprocedureoftheheatprotectionsystem，ispresentedinthispaper．Keywords：spacecraft；heatpr

6、otectionsystem；integrateddesign引言当前，在航天飞行器(以下简称飞行器)结构领域的新材料发展尚不能实现完全的热结构情况下，采用热防护系统来保护飞行器一些部件的结构以防其受严重的气动加热的冲击和烧蚀，仍是唯一的手段。人们在总结航天飞机的热防护系统的基础上，收稿日期：2014—03—19；修回日期：2014—04—08作者简介：范绪箕(1914--)，男，教授，曾任上海交通大学校长，1955年被评为一级教授，获1978年全国科学大会一等奖、1985年国家科技进步奖等多项国家级奖励，研究方向为气动加热与热防护系统。Email：htfan@sjtu．e

7、du．cn。2航天器工程23卷结合新材料，尤其是对耐高温、高强度和轻质多孔纤维复合材料提出了一种崭新的热防护系统，它由抗烧蚀的外层和隔热的内层组成，结构尺寸通过一体化设计方法来确定，这也可以认为是两层不同材料层搭配的优化设计。因此这对飞行器的热防护设计具有开创性意义[1]。热防护层材料的选择，要根据所在层的功用确定：第一层材料的主要任务是抵御气动热的冲击，它不但抵抗高温而且需要有足够的强度，选用的材料要有相当的密度以抵抗热冲击力。隔热层的任务是要尽量减少上层传递给结构的热，即这一层要吸收和储存一定的热量并将其辐射出