空天飞机热防护系统连接结构热载与强度分析

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1、2012年第6期导弹与航天运载技术No.62012总第323期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo.323文章编号：1004-7182(2012)06-0001-05空天飞机热防护系统连接结构热载与强度分析彭小波（西北工业大学航空学院，西安，710072）摘要：针对空天飞机热防护系统与机体的连接结构进行结构热载与强度计算，依据典型的金属蜂窝面板隔热结构形式建立连接结构的三维精细有限元模型，详细分析连接区的热边界条件，包括连接件和被连接复合材料蒙皮的对流换热边界与接触传热边界；以再入过

2、程中空天飞机表面气动加热为输入计算连接区的温度场分布，分析由温度所引起的结构热应力；结合复合材料损伤累积算法和准静态完全热力耦合分析技术，计算连接结构中复合材料蒙皮的挤压强度。结果表明热应力的存在可以提高连接初始损伤强度，但由于改变了最终损伤模式，会导致极限强度的降低。关键词：空天飞机；热防护；热载；强度中图分类号：V47文献标识码：AThermalLoadandStrengthAnalysisofSpacePlaneThermalProtectionSystem’sConnectingStructure

3、PengXiaobo(SchoolofAeronautics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an,710072)Abstract:ThisPaperanalyzesthethermalloadandstrengthofaconnectingstructureintheaerospaceplane’sthermalprotectionsystem.Athree-dimensionalfiniteelementmodelofconnectingstructure

4、isestablishedbasedon,atypicalmetalhoneycombpanelthermalprotectionstructure.TheconvectiveheattransferboundaryandcontactheattransferboundaryintheFEMmodelisalsostudiedindetail.Furthermore,inthispaper，itanalyzesthetemperaturedistributionoftheconnectingareaund

5、ertheactionofaerodynamicheatinginthespaceplane’sreentryprocess,andthethermalstresscausedbythetemperature.Finally,athermo-mechanicalcoupledanalysisfortheconnectionstructurestrengthdegradationisconducted.Theresultsshowthatthepresenceofthethermalstresscaninc

6、reasetheinitialconnectingstrength,butreduceultimateconnectingstrengthduetothechangesofthefinaldamagepatterns.KeyWords:Spaceplane;Thermalprotection;Thermalload;Strength0引言引起的热载；另一方面是由于载荷传递引起的力载。两空天飞机热防护系统是保证空天飞机在发射、飞者相互耦合，所以导致热防护系统的连接区往往成为损行以及返回过程中不会因为气动加热

7、而破坏并可重复伤易发区域，国外已报道了多起由于隔热结构脱落引起[2]使用的保护系统，它的设计与制造是空天飞机研制的的航天器的损毁事故。因此，对于连接区在热载和力[1]关键技术之一。空天飞机热防护系统与机体结构之间载耦合条件下的强度分析成为影响热防护系统设计的的相互连接由连接结构实现，主要用于安装固定隔热关键因素。本文针对蜂窝面板式热防护系统与机体连接结构和传递隔热结构的载荷，包括胶接连接和机械连结构的热力耦合强度分析进行计算研究，对于指导空天接两大类。飞机热防护系统设计具有参考意义。热防护系统除了承受局部

8、气动载荷之外，还具有一定承受和传递机体总体载荷的能力，因此在机械连接区1蜂窝面板热防护结构及其连接往往呈现出复杂的载荷状况：一方面是由于温度的提升空天飞机上应用的热防护系统可分为主动和被动收稿日期：2012-09-27作者简介：彭小波（1972-)，男，博士研究生，研究员，研究方向为空天飞行器的结构设计与分析2导弹与航天运载技术2012年两大类，且它们各自又包括若干种热防护结构形式。2结构热载分析模型与边界条件典型金属蜂窝面板