金屬熱防護系統(tǒng)隔熱材料的隔熱機理及隔熱效率研究.pdf

1、金屬熱防護系統(tǒng)(MTPS)是可重復(fù)使用運載器(RLV)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而隔熱材料是金屬熱防護系統(tǒng)的主要隔熱部件。目前應(yīng)用于金屬熱防護系統(tǒng)的隔熱材料主要有陶瓷纖維隔熱氈(CFTI)(光學(xué)厚度大于10)和多層隔熱材料(MTI)。本文采用理論和實驗相結(jié)合的方法對這兩種隔熱材料在再入期間的瞬態(tài)傳熱機理進行了詳盡分析并建立了陶瓷纖維隔熱氈的一維和三維傳熱模型以及多層隔熱材料的一維傳熱模型，并對有應(yīng)用前景的硅酸鋁陶瓷纖維隔熱氈進行了傳熱實驗。本文提

2、出了隔熱效率的概念，以表明在取得相同隔熱效果的前提下，隔熱材料的隔熱效率越高，其重量越輕。本文采用實驗和理論分析相結(jié)合的方法研究比較均質(zhì)和復(fù)合陶瓷纖維隔熱氈的隔熱效率，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的復(fù)合陶瓷纖維隔熱氈的隔熱效率高于均質(zhì)單一密度的陶瓷纖維隔熱氈的隔熱效率，并利用多層隔熱材料的一維傳熱模型研究了多層隔熱材料的隔熱效率。本文的研究內(nèi)容主要包括五個部分，下面進行分別介紹：
　　建立了陶瓷纖維隔熱氈一維熱傳導(dǎo)的傳熱模型，并利用Rosse

3、land近似法建立了陶瓷纖維隔熱氈熱輻射的傳熱模型。利用能量平衡方程和上述兩種傳熱模型建立了的陶瓷纖維隔熱氈的一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型。本文通過實驗測量了三種密度硅酸鋁陶瓷纖維隔熱氈在100℃～800℃之間的表觀導(dǎo)熱系數(shù)。利用遺傳算法和三種密度的硅酸鋁陶瓷纖維隔熱氈表觀導(dǎo)熱系數(shù)的實驗測量值得到硅酸鋁陶瓷纖維隔熱氈的密度輻射衰減系數(shù)和熱傳導(dǎo)調(diào)節(jié)系數(shù)。
　　通過實驗發(fā)現(xiàn)，在溫度確定的條件下，均質(zhì)陶瓷纖維隔熱氈表觀導(dǎo)熱系數(shù)并不總是隨著密度的增加

4、逐漸變小，而是有一個最小值。達到最小值后，均質(zhì)陶瓷纖維隔熱氈的表觀導(dǎo)熱系數(shù)反而隨著密度的增加而增加，并且隨著溫度的增加，均質(zhì)陶瓷纖維隔熱氈表觀導(dǎo)熱系數(shù)的最小值對應(yīng)的密度逐漸增加。與均質(zhì)陶瓷纖維隔熱氈相比，復(fù)合陶瓷纖維隔熱氈可以提供更高的隔熱效率，且溫度越高，這種優(yōu)勢越明顯。通過計算得到了上表面溫度為1000℃，下表面溫度為30℃情況下表觀導(dǎo)熱系數(shù)最小的復(fù)合硅酸鋁陶瓷纖維隔熱氈的構(gòu)成。與同密度的均質(zhì)硅酸鋁陶瓷纖維隔熱氈相比，其表觀導(dǎo)熱系數(shù)

5、降低了5.9％，而隔熱效率提高了5.9%。
　　在陶瓷纖維隔熱氈一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型的基礎(chǔ)上建立了陶瓷纖維隔熱氈的一維瞬態(tài)傳熱模型。通過計算發(fā)現(xiàn)，隨著密度的增加，應(yīng)用在金屬熱防護系統(tǒng)上的均質(zhì)陶瓷纖維隔熱氈所應(yīng)采取的厚度是降低的，其隔熱效率也隨密度的增加而降低。在厚度一定的前提下，本文對由兩種密度的均質(zhì)陶瓷纖維隔熱氈組成的復(fù)合陶瓷纖維隔熱氈的密度進行了優(yōu)化設(shè)計，得到了密度最小的復(fù)合陶瓷纖維隔熱氈的組成，并發(fā)現(xiàn)這種經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的復(fù)合陶瓷纖

6、維隔熱氈的隔熱效率優(yōu)于均質(zhì)陶瓷纖維隔熱氈的隔熱效率。
　　本文建立了陶瓷纖維隔熱氈的三維瞬態(tài)傳熱模型及橫向?qū)嵯禂?shù)模型，利用實驗和遺傳算法得到了橫向?qū)嵯禂?shù)模型中的熱傳導(dǎo)調(diào)節(jié)系數(shù)。利用模型分析再入期間側(cè)面溫度對陶瓷纖維隔熱氈底面溫度的影響，發(fā)現(xiàn)在保證瞬態(tài)隔熱要求及考慮側(cè)面?zhèn)鳠岬臈l件下，側(cè)面的空氣溫度存在一個界限值；在這個界限溫度以下，隔熱材料底面溫度的最高值出現(xiàn)在底面中間，此最高值等于由一維瞬態(tài)傳熱模型得出的計算值，在這種情況下,

7、采用一維瞬態(tài)傳熱模型計算即可；在高于這個界限溫度時，隔熱材料底面溫度的最高值出現(xiàn)在底面四角，此最高值大于由一維瞬態(tài)傳熱模型得出的計算值，因此這種情況下需要采用三維瞬態(tài)傳熱模型。
　　本文首次將離散坐標法應(yīng)用在多層隔熱材料的一維傳熱模型中，并利用硅酸鋁陶瓷纖維隔熱氈的實驗數(shù)據(jù)及遺傳算法得出了硅酸鋁陶瓷纖維隔熱氈的輻射吸收系數(shù)和輻射散射系數(shù)。利用穩(wěn)態(tài)傳熱實驗驗證了多層隔熱材料一維傳熱模型的正確性。利用一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型進行計算發(fā)現(xiàn)：隨著