可重復使用運載器熱防護系統(tǒng)性能分析研究.pdf

1、先進熱防護系統(tǒng)(TPS)的設計是決定可重復使用運載器(RLV)成敗的關鍵技術之一。目前我國在可重復使用運載器的各項研究工作剛剛起步，缺乏熱防護系統(tǒng)的理論研究。作為可重復使用熱防護系統(tǒng)研究的組成部分及國內系統(tǒng)進行熱防護系統(tǒng)研究的起步工作，本文主要進行TPS的傳熱研究及相關性能分析。 TPS設計是質量優(yōu)化的結果，可重復使用運載器外表面所需的TPS質量主要由傳熱分析確定。本文根據(jù)TPS熱防護系統(tǒng)設計涉及到多種結構形式、傳熱機理以及復

2、雜的防熱結構/材料的合理選擇布置等特點，將TPS熱分析研究劃分為兩個層次，即整個熱防護系統(tǒng)的設計與性能分析及典型防熱結構的設計與性能分析。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構熱分析模型，用以實現(xiàn)大面積TPS瞬態(tài)溫度響應分析、TPS質量預測及具體防熱結構/材料的傳熱細觀設計。這一分析方法既可完成精細程度不同的分析任務又提高了分析效率。 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，對TPS真實結構進行了均質化假設，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的質量模型。一般TPS熱分析模型應用于各部分結構的宏觀表征和性能分析，不再體現(xiàn)各部分結構的細觀結構特征。針對一般TPS熱分析模型的特點，應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設計中大面積分析設計的使用要求，使全機范圍內TPS瞬態(tài)傳熱分析及TPS質量預測可行。

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

5、算對影響各典型結構防熱、隔熱性能及瞬態(tài)溫度響應特點的主要細觀參數(shù)進行了詳細分析，獲得了若干具有指導結構優(yōu)化設計的參數(shù)選取規(guī)律。 本文最后對TPS的總體方案優(yōu)化設計進行了初步的探討。應用本文建立的熱分析模型對某一兩級入軌重復使用運載器進行了熱防護系統(tǒng)優(yōu)選研究，獲得了該運載器在初選的再入軌跡及氣動熱壞境下，機身迎風區(qū)和背風區(qū)的TPS的優(yōu)選方案。并以此氣動熱環(huán)境為參考，分析了氣動熱環(huán)境的改變對該運載器TPS方案優(yōu)選的影響及內部冷結構