邊界條件對熱防護系統隔熱性能的影響

李世平 魏廣平

摘? 要：運用MSC/NASTRAN有限元軟件對熱防護系統（TPS）小板作為試驗件進行了數值仿真，對比分析了不同材質隔熱框對試驗件底板溫度的影響，同時，對TPS底板在自然對流環境和絕熱狀態進行了比較。結果表明：隔框的的隔熱性能越好，對試驗件底板溫度測試的結果越真實;對TPS底板施加自然對流使得數值仿真結果更加真實。

關鍵詞：熱防護系統;邊界條件;數值仿真

中圖分類號：V411.8? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0015-04

Abstract： The finite element software MSC/NASTRAN is used to simulate the（TPS） plate of thermal protection system as the test piece， and the influence of different material insulation frame on the bottom plate temperature of the test piece is compared and analyzed. At the same time， the natural convective environment and adiabatic state of TPS floor are compared. The results show that the better the thermal insulation performance of the partition is， the truer the results of the temperature measurement of the bottom plate of the test piece are， and the truer the natural convection applied to the TPS bottom plate makes the numerical simulation results more real.

Keywords： thermal protection system; boundary conditions; numerical simulation

熱防護系統（Thermal Protection Systems，簡稱TPS），作為高超聲速飛行器的主要隔熱方式，其隔熱性能的好壞直接關系到飛行器研制的成敗[1]，而驗證熱防護系統隔熱性能的主要手段為隔熱試驗[2]，傳統的隔熱試驗主要采用小板作為試驗件，在其上表面采用石英燈加熱，底面測量溫度。通常小板試驗件放置在一個隔熱框內，使得試驗環境盡可能形成一維傳熱，但是隔熱框是無法達到絕熱狀態。本文對多種材質的隔熱框進行對比分析，討論隔熱框邊界條件對試驗的影響。由于TPS試驗是在大氣環境中進行的，盡管在試驗過程中試驗件底面采用玻璃絲棉氈形成空腔，所在溫度的升高，空腔內產生自然對流。因此，給試驗件底面施加自然對流邊界條件。

1 小板試驗件及隔框結構描述

以典型的三明治形式模擬小板試驗件結構，上部為5mm厚度的氧化硅材料，密度0.374g/cm3，材料比熱和傳導率物性參數見表1;下部為3mm厚度的鋁合金;中部為23mm厚度的氣凝膠芯體，密度0.374g/cm3，比熱1000J/（kg·K），材料傳導率性能見表2。小板尺寸100mm*100mm，結構示意圖見圖1a，試驗支持狀態見圖1b。

隔框取與試驗件厚度一樣的隔熱材料，密度為0.374g/cm3，材料的比熱和傳導率物性參數見表3。隔框寬度為50mm（圖1c）。

2 計算方法

按照建立的有限元模型，小板上表面施加隨時間變化的溫度曲線，對計算結果提取圖2中小板底面中點（節點編號16756），底面角點（節點編號16976），底面邊中點（節點編號16766）三個點的溫度結果進行曲線繪制，按照當前模型具有的條件，對3個表中不同的材料作為隔框，加上沒有隔框，以及小板底面設置不同的自然對流邊界條件共進行了12種工況計算，詳細描述邊界條件對材料隔熱性能的影響。

工況1，TPS厚度方向取絕熱邊界，底面絕熱，無隔框;工況2，TPS厚度方向取絕熱邊界，底面施加對流邊界條件，自然對流系數區5W/m2，無隔框;工況3，TPS厚度方向取絕熱邊界，底面施加對流邊界條件，自然對流系數區10W/m2，無隔框;工況4，底面絕熱，有隔框，材料為表1氧化硅;工況5，底面施加對流邊界條件，自然對流系數區5W/m2，有隔框，材料為表1氧化硅;工況6，底面施加對流邊界條件，自然對流系數區10W/m2，有隔框，材料為表1氧化硅;工況7，底面絕熱，有隔框，材料為表2氣凝膠;工況8，底面施加對流邊界條件，自然對流系數區5W/m2，有隔框，材料為表2氣凝膠;工況9，底面施加對流邊界條件，自然對流系數區10W/m2，有隔框，材料為表2氣凝膠;工況10，底面絕熱，有隔框，材料為表3隔框材料;工況11，底面施加對流邊界條件，自然對流系數區5W/m2，有隔框，材料為表3隔框材料;工況12，底面施加對流邊界條件，自然對流系數區10W/m2，有隔框，材料為表3隔框材料。

3 計算結果

工況1～3的TPS厚度方向取絕熱邊界，因此各計算完全等價于一維計算模式，圖3給出工況1～工況3的TPS底面板時間-溫度歷程曲線，試驗件底面點所有溫度相同只是由于底面施加對流條件的不同，底面溫度才隨之變化，對流系數越大，試驗件底面溫度越低;圖4給出工況4～工況6底面點溫度曲線，可與看出，由于隔框材料與試驗件上面板材料相同，試驗件底面三個點的溫度相同，而且溫度非常高，說明這種方式完全不可行;圖5給出工況8～工況10底面點溫度曲線;圖6給出工況10～工況12底面點溫度曲線，可以看出，隔框材料對試驗底面溫度有明顯的影響，由圖5和圖6可以看出，底面三個節點的溫度曲線已經不再重合，中點溫度最高，隨著隔框材料隔熱效果的增加，底面溫度采用試驗中所用的隔熱材料（表3），所有工況的底面溫度曲線局勢一致，由于工況4～工況6圍框為面板材料，無法起到隔熱效果，所以去除，畫出其余工況底面中心溫度最終時刻（100s）的比較圖（見圖7）。

4 結束語

TPS底面增加自然對流邊界條件，使得TPS底面溫度降低，并且，隨著對流系數的增大，TPS底面減小;TPS底面絕熱為最嚴酷的情況，此時，TPS底面最高;隔框的存在對TPS計算結果較之絕熱邊界TPS底面偏高，同時導致TPS底面溫度不均勻，底面中心位置溫度最高，底面邊界中點次之，底面角點溫度最低。兩種隔熱材料作為隔框其計算結果完全一致，雖然兩種隔熱材料的熱傳導率略有差別，說明小板試驗置于隔框內進行試驗。

參考文獻：

[1]馬忠輝，孫秦，王小軍，等.RLV陶瓷熱防護系統熱分析模型研究[J].導彈與航天運載技術，2003（3）：19-24.

[2]蘇大亮，鄭曉亞，張鐸.飛行器頭部熱防護系統熱分析[J].彈箭與制導學報，2006（1）：725-727.

[3]Bradford， J.E， Olds， J.R.Thermal Protection System Sizing and Selection for RLVs Using? the? Sentry? Code. AIAA-2006-4605.

[4] David E. Glass. Ceramic Matrix Composite （CMC） Thermal Protection Systems （TPS） and Hot Structures for Hypersonic Vehicles.AIAA-2008-2682.

[5]秦強，成竹，任青梅，等.溫度對剛性陶瓷防熱瓦隔熱性能的影響[J].導彈與航天運載技術，2010（4）：58-61.

[6]郭朝邦，李文杰.高超聲速飛行器結構材料與熱防護系統[J].飛航導彈，2010（4）：88-94.

[7]張鈺.結構熱實驗技術[M].北京：宇航出版社，1993.