纳米孔材料中辐射热传递的改进——扩散近似法计算

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1、第20卷第2期航天器工程V01．20No．21111篁!旦量呈垒篁塞篁塞垒兰三兰些垒!墼星曼垦!型呈!纳米孑L材料中辐射热传递的改进——扩散近似法计算范绪箕(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030)摘要用可燃的烧蚀材料作为主动的承热层，用不可燃的多孔材料作为被动的隔热层，是当今一次性使用航天器最普通的一种热防护形式，然而对可重复使用的航天器来说，这种防热结构显然不适用。但是如果把烧蚀层改为金属薄壁或多层金属热防护系统，在不增加很多质量的情况下，能保证航天器主结构在允许的温度范围，则可能是一种很好的设计。在此情况下，隔热层

2、将经受更为严峻的考验。文章用改进的扩散近似法计算纳米孔材料中的辐射热，可与其他求解方法或试验结果进行比较，并为热防护设计者提供参考。关键词航天器；纳米孔材料；烧蚀层；多层金属热防护系统；改进的扩散近似法中图分类号：V45文献标志码：A文章编号：1673-8748(2011)02—0009-05CalculationofRadiationHeatTransferwithinNanoporousMaterialbyModifiedDiffusionApproximationMethodFANXuji(SchoolofMechanica

3、landPowerEngineering，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030，China)Abstract：Usingtheflammablecharringmaterialasactiveacceptantlayerandtheinflammableporousmaterialaspassiveprotectionlayeristhecommonpracticeofthermalprotectiondesignofanexpendablespacecraft，butthiskind

4、ofheatprotectionsystemisobviouslyimpracticalforre—usablespacecraft．Itmightbeappropriateifthecharringlayerisreplacedbyametalliclayerormultilayerwhichwouldkeepthetemperatureofthemainstructureofthevehiclewithinanallow—ablelimitwithoutappreciableweightincrease，butthatwoul

5、dleadtheprotectionlayertoundergomoreseverheattrials．Thispaperusesthemodifieddiffusionapproximationtobecomparedcal—culatetheradiativeheatflowwithinthenanoporousprotectionlayer，whichcanbeusedtOcheckwiththeresultsobtainedbyotheranalyticorexperimentalmethodstogiveareferen

6、cefortheheatprotectiondesignersKeywords：spacecraft；nanoporousmaterial；charringlayer；multi—layermetallicheatprotectionsystem；modifieddiffusionapproximation收稿日期：2011一01—12；修回日期：201I-02—24作者简介：范绪箕(1914一)。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

7、究方向为气动加热与热防护系统。lO航天器工程20卷1引言热防护系统设计是航天器设计中的重要一环。例如，美国在阿波罗飞船的基础上研发了猎户座乘员探索飞行器(CEV)，根据NASA早些时候公布的资料，在研制的CEV返回舱上采用较轻的铝一锂合金(A1／Li)外壁覆以Nomex全间位芳酰胺纤维材料层以耐热阻燃，而作为主热防护系统仍用热烧蚀涂层Avcoat低密度玻璃填充树脂材料，其烧蚀温度为649℃，这样的热防护系统可以保证下面的复合材料夹层结构温度低于149℃的使用温度极限。然而，在烧蚀层烧蚀后返回舱如重复使用，其表面处理显然需要消耗大量

8、的人力和物力，如能在不增加很多重量的情况下，把返回舱改为热结构设计则可省去这些消耗，于是就需要解决再入条件下在这种外壁结构中的热传递问题。近年来，新型耐高温轻质复合材料多有出现，尤以纤维增强和多孔纳米材料为高速飞行器设计者所关注。这些材料质地较为疏