一體化熱防護結構防熱特性研究*

陳正明，趙金峰

(1.江南機電設計研究所，貴州 貴陽 550009； 2.湖北菲利華石英玻璃股份有限公司，湖北 荊州 434000)

0 引 言

高超聲速飛行器的飛行速度超過5馬赫，且飛行過程中需要面臨惡劣的氣動加熱環境，因此對彈體的熱防護系統設計要求更加嚴格。熱防護系統的任務：一是保證電子儀器和機械設備有效可靠工作，并在一定的溫度范圍內正常工作；二是保證溫度場的均勻性和穩定性，以保護一些有效載荷較高的結構的穩定性。由于大多數材料的熱膨脹系數非零，溫度的變化將會導致熱變形，對于一些設備來說，結構變形將造成嚴重影響。

傳統熱防護結構通過使用燒蝕材料、熱防護涂層、防/隔熱材料來實現，結構形式單一且功能不全面[1]。隨著新材料以及新技術的不斷發展，結構/功能一體化的設計思路為高超聲速飛行器的熱防護設計方案提供了新的發展思路[2]。在保證熱防護性能的前提下，一體化熱防護結構還需要承擔氣動力載荷以及面內載荷，以實現防熱/承載功能的一體化[3]。

Bapanapalli等[4]首先提出適用于高超聲速飛行器的波紋夾芯一體化熱防護結構，該結構由上、下兩層面板以及中間腹板連接組成，腹板之間的空隙用熱防護材料填充，從而實現對高超聲速飛行器的熱防護。一體化熱防護結構屬于被動式熱防護結構，結構的熱防護功能是通過上面板的輻射散熱、下面板的熱沉結構吸收以及熱防護材料的低導熱率三者共同實現[5]。國內外針對一體化熱防護結構開展了一系列研究。 Wang等[6]進行了一體化熱防護結構的抗拉伸和抗彎曲試驗，證明了結構的承載能力。Xie等[7]進行了熱力耦合仿真分析，驗證了結構擁有較好的熱防護性能，并對結構進行了改進，提高了結構的承載性能。除了改進結構形式，一些學者還對結構進行優化設計以提高結構的承載/防熱性能，實現結構的輕質化。張志理等[8]采用遺傳算法改善了波紋夾芯板的防護性能。劉偉先等[9]采用全局響應面法，以結構重量為目標函數，實現了結構的減重優化。

為確保飛行器的正常可靠工作，需要對飛行器進行熱防護結構設計[10]。氣動加熱及其防熱問題是研制高超聲速飛行器必須面臨的重大課題。如何準確確定氣動加熱環境并進行熱防護設計，如何選擇合適的熱防護結構方案，這些都是研制高超聲速飛行器的關鍵技術問題[11]。筆者重點針對高超聲速飛行器熱防護性能不足的問題進行設計，基于典型一體化熱防護結構，通過熱傳遞仿真分析，驗證一體化熱防護結構的熱防護性能，并通過對一體化熱防護結構進行試驗設計，得出不同設計參數對結構性能響應的敏感度，對一體化熱防護結構的尺寸參數設計具有指導意義。

1 一體化熱防護結構熱傳遞分析

一體化熱防護結構模型如圖1所示，結構尺寸參數見表1，上面板及腹板選用2.5D石英編織體/酚醛樹脂RTM體系材料，該材料具有防熱、承載、透波等功能特性。中間夾層腹板之間填充熱防護材料SiO2氣凝膠，該材料具有良好的防/隔熱性能，同時重量輕，被稱為超級防熱材料和世界上最輕的固體。下面板為1 mm 2.5D石英編織體/酚醛樹脂RTM體系材料+3 mm高強度鋁合金，材料熱性能參數見表2。

表1 一體化熱防護結構方案尺寸參數

表2 材料熱性能參數

結構主要分為三個部分，由上到下分別為上面板、夾芯防熱層(腹板+熱防護材料)、下面板。上面板即為飛行器外表面，上面板承受來自氣動加熱引起的熱載荷以及氣動載荷直接作用，為高溫結構，選用耐高溫材料以抵抗高溫；夾芯防熱層由連接上下面板的腹板與起到熱防護功能的熱防護材料組成，熱防護材料填充于腹板之間的空隙，可減少向內表面傳遞的熱量，熱防護材料不參與結構的承載；下面板吸收由腹板傳遞過來的熱量，為低溫結構，選用比熱容較高的材料，以保證內表面溫度控制在一定范圍內[12]。

1.1 建立一體化熱防護結構仿真模型

一體化熱防護結構傳熱模型如圖2所示，主要由熱流密度、表面熱輻射、結構熱傳導以及邊界條件組成。熱流密度直接作用在上表面，同時上表面與周圍環境輻射換熱，上面板受到的熱量通過腹板以及熱防護材料傳遞到下面板，下面板吸收傳遞而來的熱量。

圖2 一體化熱防護結構傳熱模型

為簡化計算，需要對模型進行假設：①將下面板視為絕熱狀態，不與飛行器結構內部進行熱量交換；②忽略各艙段之間的熱傳導，只考慮本艙段的熱傳導，即模型側面沒有熱量的流入和流出；③忽略不同材料之間的接觸熱阻，結構各個接觸面均為理想傳熱。假設較為保守，計算的溫度高于實際使用情況下的溫度。

輸入熱流密度為冷壁熱流密度，采用冷壁熱流密度計算溫度響應時，沒有考慮結構表面溫度變化的影響，計算得到的結構溫度不能夠有效評估熱防護結構的性能。因為在實際飛行過程中，飛行器表面溫度受氣動加熱的影響不斷變化，外表面溫度越高，輻射熱流越大，進入結構的凈熱流越低。因此，需要對冷壁熱流密度進行修正得到熱壁熱流密度及凈熱流密度，由公式(1)對冷壁熱流密度進行修正：

(1)

式中：qc為給定溫度Tc下的冷壁熱流密度；qw為考慮外表面變化的熱壁熱流密度；qr為表面輻射熱流；hr為恢復溫度下的氣體焓值；hw為表面溫度下的氣體焓值；Tw為表面溫度；σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數，其值恒為5.67×10-8W/(m2·K4)。

修正后的熱流密度變化曲線如圖3所示，修正后的熱壁熱流密度變化規律與冷壁熱流密度變化規律相同，但是，最大值為270 kW/m2，相比冷壁熱流密度最大值418 kW/m2降低了35.4%。

圖3 熱流密度變化曲線

1.2 一體化熱防護結構熱傳遞分析

飛行器高速飛行時，氣動加熱引起的熱載荷直接作用于上表面，一體化熱防護結構的傳熱過程為瞬態傳熱過程，溫度場隨時間不斷地變化，使用有限元分析軟件Abaqus進行瞬態熱傳遞分析，得到不同時刻的溫度場分布云圖，如圖4所示。283 s時，結構上面板溫度達到最大值1 161.39 K，下面板溫度為325.73 K，與初始溫度相差不大，熱流密度還未傳遞至下面板，結構溫差達到最大。576 s時飛行最終時刻，結構下表面溫度達到最大值420.06 K。

圖4 仿真分析結果

為了進一步對結構傳熱特性進行分析，在結構上選取了6個特征點，如圖5所示。特征點1，2，3，4為沿腹板中心線由上往下，特征點5，6分別為氣凝膠中心線的上端點和下端點，且分別與特征點2，3在同一高度上，以分析熱防護材料SiO2氣凝膠對一體化熱防護結構防熱性能的影響。

圖5 特征點分布圖

特征點溫度隨時間變化曲線如圖6所示，隨著熱流密度在200 s后迅速上升，結構上表面的溫度急劇升高，上面板溫度最先升高且升溫速率最快。在281 s熱流密度到達最大值后，上表面溫度在283 s到達最大值1 163.08 K，此時下表面溫度為323.84 K，與結構初始溫度相差不大，上下表面溫差達到最大值837.55。上表面溫度還未到達輻射熱平衡溫度便隨著熱流密度的降低而下降。沿厚度方向，各參考點先后受到氣動加熱的影響，距離外表面越遠受到氣動加熱的影響越小且響應時間越長，升溫速率越緩慢。在576 s時，上表面溫度為919.41 K，下表面溫度為449.62 K，結構溫差為469.79。

圖6 沿厚度方向各參考點溫度變化曲線

選取特征點2與5、特征點3與6兩組等高點進行結果對比，圖7為4個特征點溫度隨時間變化曲線，其目的是進一步分析材料熱導率的不同對一體化熱防護結構性能影響。

圖7 特征點2、3、5、6溫度變化曲線

由圖7可知，由于SiO2氣凝膠的導熱率小于石英酚醛樹脂的熱導率，氣凝膠的熱阻大于石英酚醛樹脂的熱阻，因此，熱流密度能夠快速通過腹板，導致特征點5的溫度高于特征點2的溫度，特征點3的溫度高于特征點6的溫度。選用低熱導率的熱防護填充材料填充在夾層中能夠提升一體化熱防護結構的防熱性能，同時也反映出了一體化熱防護結構存在的問題以及腹板處的熱短路影響。

2 一體化熱防護結構防熱特性分析

一體化熱防護結構分為三部分，共同實現結構的防熱/承載功能，影響結構熱防護性能的設計參數主要有5個：上面板的厚度ttop、下面板的厚度tbuttom、夾芯層厚度th、腹板的寬度tweb、結構單胞長度p，一體化熱防護結構初始參數見表1。文中引入試驗設計的方法分析一體化熱防護結構不同設計參數對防熱性能的影響。

采用最優拉丁超立方設計方法對結構設計變量進行敏感性分析，敏感度分析的目的在于確定不同結構設計變量對結構性能的影響程度。試驗設計得到的結果經相關性分析，能夠確定每個設計參數對結構下表面溫度的影響，相關系數r的計算公式為：

(2)

樣本總變異x、y、SXY，X的樣本標準差SX，Y的樣本標準準差為：

相關系數r的絕對值越接近1，表明該設計參數對目標響應的影響程度越大。

圖8為各個設計變量對下表面最低溫度的敏感度，其中腹板厚度tweb與目標響應呈正相關，單胞長度p、下面板厚度tbuttom、夾層厚度th、上面板厚度ttop與目標響應呈負相關。

圖8 不同設計變量對下面板最低溫度的影響 圖9 不同設計變量對下面板最高溫度的影響

圖9為各個設計變量對下表面最高溫度的敏感度，其中腹板厚度tweb、單胞長度p與目標響應呈正相關，下面板厚度tbuttom、夾層厚度th、上面板厚度ttop與目標響應呈負相關。

由圖可以看出，結構單胞長度p與下面板厚度tbuttom對結構的熱防護性能影響較大，夾芯層厚度th、腹板厚度tweb與上面板厚度ttop對結構熱防護性能影響相當。下面板厚度tbuttom對結構熱防護性能的影響體現在下面板決定了熱容大小，厚度越厚，熱容量越大，下表面升高1 ℃所需要的熱量就越多；結構單胞長度p與夾芯層厚度th反映了低熱導率材料的占比，占比越高，對熱載荷的抵御能力越強，同時腹板長度的增加延長了熱量傳遞的距離，降低了熱短路效應。腹板厚度tweb影響結構的熱短路效應的大小，腹板厚度tweb越厚，熱短路效應越明顯。

因此，通過增加下面板厚度以及夾芯層厚度，能夠有效降低下表面溫度，提高一體化熱防護結構防熱性能。但一體化熱防護結構除了防熱功能外，還具備結構的承載功能，在設計熱防護性能時，還需要考慮結構的尺寸要求以及力學性能要求。

3 結 論

文中通過建立一體化熱防護結構的熱傳遞模型，進行瞬態傳熱分析，并對結構的防熱特性進行研究，得出以下結論。

(1) 通過對一體化熱防護結構進行熱傳遞分析得出，低熱導率的熱防護填充材料能夠有效提升結構的防熱性能，同時分析還暴露出結構存在熱短路的缺點，導致結構下表面溫度分布不均。

(2) 基于試驗設計方法對一體化熱防護結構的設計參數進行敏感度分析，不同設計參數對結構的熱防護性能影響有較大區別，其中影響結構熱防護能力的主要參數是下面板厚度tbuttom和夾芯層厚度th，在設計一體化熱防護性能時，可以通過調整這兩個設計變量以適應不同部位的熱防護需求。

設計一體化熱防護結構時，除了考慮結構的防熱功能外，還需要考慮結構的承載功能。在確保熱防護性能的同時，還需要保證結構的力學性能，并滿足結構尺寸要求。后續還需要開展一體化熱防護結構在常溫和高溫條件下的力學性能分析。