可重復(fù)使用運(yùn)載器熱防護(hù)系統(tǒng)性能分析研究.pdf

1、先進(jìn)熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)的設(shè)計(jì)是決定可重復(fù)使用運(yùn)載器(RLV)成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前我國在可重復(fù)使用運(yùn)載器的各項(xiàng)研究工作剛剛起步，缺乏熱防護(hù)系統(tǒng)的理論研究。作為可重復(fù)使用熱防護(hù)系統(tǒng)研究的組成部分及國內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行熱防護(hù)系統(tǒng)研究的起步工作，本文主要進(jìn)行TPS的傳熱研究及相關(guān)性能分析。 TPS設(shè)計(jì)是質(zhì)量優(yōu)化的結(jié)果，可重復(fù)使用運(yùn)載器外表面所需的TPS質(zhì)量主要由傳熱分析確定。本文根據(jù)TPS熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及到多種結(jié)構(gòu)形式、傳熱機(jī)理以及復(fù)

2、雜的防熱結(jié)構(gòu)/材料的合理選擇布置等特點(diǎn)，將TPS熱分析研究劃分為兩個(gè)層次，即整個(gè)熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能分析及典型防熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與性能分析。通過建立簡化程度不同的熱分析模型，即一般TPS熱分析模型及典型結(jié)構(gòu)熱分析模型，用以實(shí)現(xiàn)大面積TPS瞬態(tài)溫度響應(yīng)分析、TPS質(zhì)量預(yù)測及具體防熱結(jié)構(gòu)/材料的傳熱細(xì)觀設(shè)計(jì)。這一分析方法既可完成精細(xì)程度不同的分析任務(wù)又提高了分析效率。 按照一般TPS熱分析模型在熱分析模型組織中的作用，本文依據(jù)TPS

3、在再入過程中的傳熱特點(diǎn)，對TPS真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了均質(zhì)化假設(shè)，建立了適合于任何TPS的一維瞬態(tài)傳熱分析模型及與之相對應(yīng)的質(zhì)量模型。一般TPS熱分析模型應(yīng)用于各部分結(jié)構(gòu)的宏觀表征和性能分析，不再體現(xiàn)各部分結(jié)構(gòu)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。針對一般TPS熱分析模型的特點(diǎn)，應(yīng)用有限差分法建立了非線性全隱式格式一維瞬態(tài)傳熱數(shù)值分析模型。本文建立的一般TPS熱分析模型滿足了TPS設(shè)計(jì)中大面積分析設(shè)計(jì)的使用要求，使全機(jī)范圍內(nèi)TPS瞬態(tài)傳熱分析及TPS質(zhì)量預(yù)測可行。

4、 本文將完整熱防護(hù)系統(tǒng)的各層功能及形態(tài)各異的結(jié)構(gòu)/材料視作典型結(jié)構(gòu)，對四種具有良好應(yīng)用前景的典型結(jié)構(gòu)類型，即剛性陶瓷防熱瓦/柔性隔熱氈、多層隔熱結(jié)構(gòu)、金屬多層壁結(jié)構(gòu)及蜂窩面板結(jié)構(gòu)的傳熱機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，對其結(jié)構(gòu)形態(tài)及傳熱過程進(jìn)行了一維或二維簡化，建立了各典型結(jié)構(gòu)的傳熱數(shù)學(xué)分析模型，細(xì)致表現(xiàn)了各結(jié)構(gòu)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征及傳熱特點(diǎn)。根據(jù)各模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別采用有限元或有限差分方法建立了各典型結(jié)構(gòu)瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值計(jì)算模型，并應(yīng)用數(shù)值計(jì)

5、算對影響各典型結(jié)構(gòu)防熱、隔熱性能及瞬態(tài)溫度響應(yīng)特點(diǎn)的主要細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，獲得了若干具有指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)選取規(guī)律。 本文最后對TPS的總體方案優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的探討。應(yīng)用本文建立的熱分析模型對某一兩級入軌重復(fù)使用運(yùn)載器進(jìn)行了熱防護(hù)系統(tǒng)優(yōu)選研究，獲得了該運(yùn)載器在初選的再入軌跡及氣動(dòng)熱壞境下，機(jī)身迎風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)的TPS的優(yōu)選方案。并以此氣動(dòng)熱環(huán)境為參考，分析了氣動(dòng)熱環(huán)境的改變對該運(yùn)載器TPS方案優(yōu)選的影響及內(nèi)部冷結(jié)構(gòu)