空天飛行器再入過(guò)程中關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)的熱分析.pdf

1、隨著空間技術(shù)的飛速發(fā)展，可重復(fù)使用空天飛行器成為新一代天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展方向，對(duì)于降低空間運(yùn)輸成本具有重要的意義。而對(duì)于這種先進(jìn)的可重復(fù)使用運(yùn)載器，防熱領(lǐng)域的研究工作一直受到極大的重視。對(duì)空天飛行器進(jìn)行再入過(guò)程的氣動(dòng)熱分析和防熱結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)以及熱應(yīng)力的計(jì)算可以直接為防熱系統(tǒng)(TPS)的設(shè)計(jì)和評(píng)估提供重要依據(jù)，是項(xiàng)很有意義的工作。 本文研究對(duì)象是采用防熱—結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的可重復(fù)使用空天飛行器的全C/SiC復(fù)合材料襟翼結(jié)構(gòu)。首先

2、對(duì)空天飛行器再入過(guò)程中的熱環(huán)境進(jìn)行了分析和計(jì)算。根據(jù)美國(guó)先進(jìn)空天飛行器X-38的再入軌跡，計(jì)算襟翼結(jié)構(gòu)在再入過(guò)程中的氣動(dòng)加熱問(wèn)題?；赑randtl的邊界層理論，將流場(chǎng)分為邊界層外的無(wú)粘流場(chǎng)和邊界層內(nèi)粘性主導(dǎo)的區(qū)域，將邊界層外無(wú)粘流場(chǎng)的數(shù)值求解和邊界層內(nèi)粘性主導(dǎo)區(qū)域的工程算法相結(jié)合，計(jì)算空天飛行器襟翼結(jié)構(gòu)在再入過(guò)程中在迎風(fēng)面上產(chǎn)生的熱流密度。 采用有限元的方法計(jì)算襟翼結(jié)構(gòu)由氣動(dòng)加熱引起的溫度場(chǎng)以及在溫度場(chǎng)作用下的熱應(yīng)力。溫度場(chǎng)計(jì)

3、算考慮了的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種傳熱方式同時(shí)存在的情況，并與傳統(tǒng)飛行器熱分析只考慮傳導(dǎo)和對(duì)流兩種傳熱方式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證實(shí)了輻射換熱在再入過(guò)程的結(jié)構(gòu)熱傳遞中占主導(dǎo)地位。探討了材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱等因素對(duì)熱分析結(jié)果的影響，以及溫度場(chǎng)梯度的變化對(duì)熱應(yīng)力的影響。 本文在嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了準(zhǔn)確而實(shí)用的計(jì)算方法，完成了再入過(guò)程結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)加熱、溫度場(chǎng)以及熱應(yīng)力的計(jì)算和分析，對(duì)空天飛行器的防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。