一体化防热系统应用进展

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　　摘  要：回顾了高速飞行器防热系统的发展历程，阐释了一体化防热系统（Integrated Thermal Protection System，ITPS）的概念与特点，总结了ITPS结构设计的基本原则，探讨了ITPS的发展方向。
　　关键词：防热系统;力热耦合;一体化设计;优化
　　中图分类号：V414         文献标志码：A           文章编号：2095-2945（2019）08-0174-03
　　Abstract： This paper reviews the development course of high speed aircraft heat protection system， explains the concept and characteristics of integrated thermal protection system （ITPS）， summarizes the basic principles of ITPS structure design， and probes into the development direction of ITPS.
　　Keywords： thermal protection system; mechanical-thermal coupling; integrated design; optimization
　　引言
　　隨着航空航天技术的进步，传统的防热系统（Thermal Protection System，TPS）已经不适用于现代高速飞行器，取而代之的是在满足隔热的同时还能够具有一定的承载能力的一体化防热系统（Integrated Thermal Protection System，ITPS）。犹记得2003年2月1日美国东部时间上午9时，哥伦比亚号航天飞机在得克萨斯州北部上空解体坠毁，泡沫材料撞击在哥伦比亚号失事中扮演了主要角色。这里提到的泡沫材料就是传统的防热材料，其撞击的位置同样是防热材料，由于这种防热材料仅仅只有隔热性能而无承载能力，导致哥伦比亚号表面因撞击形成裂缝，在返回阶段进入地球大气层时，因剧烈的空气摩擦，哥伦比亚号表面产生的热量高达1500℃以上，热量从裂缝传至机体内部，导致灾难发生。
　　1 国外研究进展
　　陶瓷基复合材料具有优异的耐高温性能已经广泛应用于高速飞行器的防热系统之中，70年代初期，法国Naslain教授发明了化学气相渗透（Chemical Vapor Infiltra-tion，CVI）技术，大大推动了陶瓷基复材（SiC）的研究工作，也为陶瓷基复材应用于高速飞行器的防热系统奠定了基础[1];2008年，美国国防部向国会提交的《高超声速发展计划报告》明确指出防热材料与结构技术是高速飞行器发展的重点和难点，提出在2020年左右，由复材作为高超速飞行器主结构，耐热树脂基复材料为冷结构，发展到初步实现多功能机身结构[2]。
　　降低航天器发射成本是航天工业的迫切需要之一。美国航空航天局的目标之一就是把飞行器发送到低地轨道[3]，而其中最为昂贵的系统便是空间飞行器的防热系统（TPS）[4]，以保护飞行器从内部温度。因此，降低成本的TPS可以提供显着降低整体发射成本。在上升和再入阶段，根据其在飞行器上的位置，TPS必须承受的温度范围从380℃到1500℃，由于TPS包裹在飞行器的最外层表面，它在提供足够的隔热的前提下，还需要保持飞行器的空气动力学形状。早期的航天飞机使用的TPS是由不同类型的材料，如瓷砖和隔热毡，分布在整个航天器表面。这种技术使空间飞行器的外观非常脆弱，及易受到冲击载荷的损害，并且维护成本很高。为了克服这些困难，科学家再开发了一个具有可操作性、可重复使用的TPS[5，6];然而，这种TPS的承载能力有限，无法承受大面积的气动力载荷。目前正在研究使用新近开发的金属泡沫夹层材料和桁架结构，该结构能够显著降低飞行器的整体重量的同时，还具有隔热和承载双重功能（见图1）。图1中的夹层结构能够提供高刚度与相对较轻的重量。由于TPS面板需要承受1500℃以上的温度，陶瓷基复合材料作为TPS面板可以满足要求[7-14];为了进一步减轻重量，2015年Blosser[15]介绍了镂空腹板（图2）。
　　2 国内研究进展
　　国内学者针对ITPS也进行了大量的研究工作。文献[16]对图1的典型的金属防热系统，采用金属桁架夹芯板，内部填充隔热材料，对ITPS侧面进行绝热处理，把问题简化为一维传热模型进行了尺寸优化;文献[17]分析了图1结构设计的基本原则，采用数值仿真分析了结构参数对ITPS底面板温度响应，通过试验考核了ITPS在800℃温度载荷下的隔热性能并开展了屈曲性能的力学试验研究;文献[18]对ITPS进行隔热性能分析，通过耦合分析得到ITPS单胞的热力性能，讨论了波纹夹芯结构在力热载荷下的应力场和位移场，最后指出，当气动压力大于等于15MPa时，结构将发生破坏;文献[19]采用数值分析对ITPS单胞施加位移约束，模拟了弯曲变形时线性独立的应变分量，在计算过程中考虑了温度对弹性常数的影响，得到随温度变化的宏观等效弹性常数，同时对不同温度下的弯曲响应进行比较，相对误差在4%以内;文献[20]介绍了ITPS结构特征，分析ITPS热短路效应和结构承载性能，阐述了ITPS等效性能分析与热力耦合响应的高效分析方法;文献[21]探讨了含流道的微桁架夹层面板内部复杂的传热机制，提出一种评估ITPS隔热性能的解析模型，并建立了含主动冷却的ITPS隔热性能快速评估方法，最后通过数值仿真结果验证了评估方法的有效性。
　　文献[22]对金属ITPS进行了比较详细的研究。金属ITPS上下面板与腹板是以焊接方式连接的，连接处没有隔热材料（这正是ITPS能够承力的关键所在），使得热量可以直接由ITPS受热面以传导方式快速传递到ITPS背面，进而传到机身内部。文献[22]对图1进行了全参数化设计，在压力载荷与ITPS其它尺寸不变的前提下，改变腹板与ITPS底面板的夹角进行数值仿真。计算结果表明，当腹板与ITPS底板夹角θ为76°时，ITPS的等效应力达到极小值（图3）。 　　文献[23]针对文献[15]所描述的镂空腹板达到减重的方法，建立全参数化有限元模型，在满足其承载要求的前提下实现IPTS结构重量的优化设计，探讨了腹板镂空尺寸对IPTS承载能力的影响，进而对镂空腹板设置不同的倒角半径，通过数值仿真得到最佳的镂空腹板尺寸（图4，图5）。
　　3 结束语
　　对国内外ITPS的研究可以看出：（1）随着ITPS结构概念的发展，提高ITPS承载能力和降低热短路是其主要发展方向之一;（2）在满足承力和防热的双重条件下，采用优化分析方法进行ITPS减重为另一个发展方向。
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