一體化防熱系統應用進展

張新霞 楊志斌

摘? 要：回顧了高速飛行器防熱系統的發展歷程，闡釋了一體化防熱系統（Integrated Thermal Protection System，ITPS）的概念與特點，總結了ITPS結構設計的基本原則，探討了ITPS的發展方向。

關鍵詞：防熱系統;力熱耦合;一體化設計;優化

中圖分類號：V414? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：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

隨著航空航天技術的進步，傳統的防熱系統（Thermal Protection System，TPS）已經不適用于現代高速飛行器，取而代之的是在滿足隔熱的同時還能夠具有一定的承載能力的一體化防熱系統（Integrated Thermal Protection System，ITPS）。猶記得2003年2月1日美國東部時間上午9時，哥倫比亞號航天飛機在得克薩斯州北部上空解體墜毀，泡沫材料撞擊在哥倫比亞號失事中扮演了主要角色。這里提到的泡沫材料就是傳統的防熱材料，其撞擊的位置同樣是防熱材料，由于這種防熱材料僅僅只有隔熱性能而無承載能力，導致哥倫比亞號表面因撞擊形成裂縫，在返回階段進入地球大氣層時，因劇烈的空氣摩擦，哥倫比亞號表面產生的熱量高達1500℃以上，熱量從裂縫傳至機體內部，導致災難發生。

1 國外研究進展

陶瓷基復合材料具有優異的耐高溫性能已經廣泛應用于高速飛行器的防熱系統之中，70年代初期，法國Naslain教授發明了化學氣相滲透（Chemical Vapor Infiltra-tion，CVI）技術，大大推動了陶瓷基復材（SiC）的研究工作，也為陶瓷基復材應用于高速飛行器的防熱系統奠定了基礎[1];2008年，美國國防部向國會提交的《高超聲速發展計劃報告》明確指出防熱材料與結構技術是高速飛行器發展的重點和難點，提出在2020年左右，由復材作為高超速飛行器主結構，耐熱樹脂基復材料為冷結構，發展到初步實現多功能機身結構[2]。

降低航天器發射成本是航天工業的迫切需要之一。美國航空航天局的目標之一就是把飛行器發送到低地軌道[3]，而其中最為昂貴的系統便是空間飛行器的防熱系統（TPS）[4]，以保護飛行器從內部溫度。因此，降低成本的TPS可以提供顯著降低整體發射成本。在上升和再入階段，根據其在飛行器上的位置，TPS必須承受的溫度范圍從380℃到1500℃，由于TPS包裹在飛行器的最外層表面，它在提供足夠的隔熱的前提下，還需要保持飛行器的空氣動力學形狀。早期的航天飛機使用的TPS是由不同類型的材料，如瓷磚和隔熱氈，分布在整個航天器表面。這種技術使空間飛行器的外觀非常脆弱，及易受到沖擊載荷的損害，并且維護成本很高。為了克服這些困難，科學家再開發了一個具有可操作性、可重復使用的TPS[5，6];然而，這種TPS的承載能力有限，無法承受大面積的氣動力載荷。目前正在研究使用新近開發的金屬泡沫夾層材料和桁架結構，該結構能夠顯著降低飛行器的整體重量的同時，還具有隔熱和承載雙重功能（見圖1）。圖1中的夾層結構能夠提供高剛度與相對較輕的重量。由于TPS面板需要承受1500℃以上的溫度，陶瓷基復合材料作為TPS面板可以滿足要求[7-14];為了進一步減輕重量，2015年Blosser[15]介紹了鏤空腹板（圖2）。

2 國內研究進展

國內學者針對ITPS也進行了大量的研究工作。文獻[16]對圖1的典型的金屬防熱系統，采用金屬桁架夾芯板，內部填充隔熱材料，對ITPS側面進行絕熱處理，把問題簡化為一維傳熱模型進行了尺寸優化;文獻[17]分析了圖1結構設計的基本原則，采用數值仿真分析了結構參數對ITPS底面板溫度響應，通過試驗考核了ITPS在800℃溫度載荷下的隔熱性能并開展了屈曲性能的力學試驗研究;文獻[18]對ITPS進行隔熱性能分析，通過耦合分析得到ITPS單胞的熱力性能，討論了波紋夾芯結構在力熱載荷下的應力場和位移場，最后指出，當氣動壓力大于等于15MPa時，結構將發生破壞;文獻[19]采用數值分析對ITPS單胞施加位移約束，模擬了彎曲變形時線性獨立的應變分量，在計算過程中考慮了溫度對彈性常數的影響，得到隨溫度變化的宏觀等效彈性常數，同時對不同溫度下的彎曲響應進行比較，相對誤差在4%以內;文獻[20]介紹了ITPS結構特征，分析ITPS熱短路效應和結構承載性能，闡述了ITPS等效性能分析與熱力耦合響應的高效分析方法;文獻[21]探討了含流道的微桁架夾層面板內部復雜的傳熱機制，提出一種評估ITPS隔熱性能的解析模型，并建立了含主動冷卻的ITPS隔熱性能快速評估方法，最后通過數值仿真結果驗證了評估方法的有效性。

文獻[22]對金屬ITPS進行了比較詳細的研究。金屬ITPS上下面板與腹板是以焊接方式連接的，連接處沒有隔熱材料（這正是ITPS能夠承力的關鍵所在），使得熱量可以直接由ITPS受熱面以傳導方式快速傳遞到ITPS背面，進而傳到機身內部。文獻[22]對圖1進行了全參數化設計，在壓力載荷與ITPS其它尺寸不變的前提下，改變腹板與ITPS底面板的夾角進行數值仿真。計算結果表明，當腹板與ITPS底板夾角θ為76°時，ITPS的等效應力達到極小值（圖3）。

文獻[23]針對文獻[15]所描述的鏤空腹板達到減重的方法，建立全參數化有限元模型，在滿足其承載要求的前提下實現IPTS結構重量的優化設計，探討了腹板鏤空尺寸對IPTS承載能力的影響，進而對鏤空腹板設置不同的倒角半徑，通過數值仿真得到最佳的鏤空腹板尺寸（圖4，圖5）。

3 結束語

對國內外ITPS的研究可以看出：（1）隨著ITPS結構概念的發展，提高ITPS承載能力和降低熱短路是其主要發展方向之一;（2）在滿足承力和防熱的雙重條件下，采用優化分析方法進行ITPS減重為另一個發展方向。

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