先進熱防護技術(shù)是可重復(fù)使用運載火箭研制的關(guān)鍵技術(shù)之一,具有高結(jié)構(gòu)效率的防熱/承載一體化熱防護系統(tǒng)是運載火箭極具潛力的備選熱防護方案。本文系統(tǒng)地總結(jié)了可重復(fù)使用運載火箭尾艙段防熱和承載兩方面的設(shè)計要求,設(shè)計了一種全復(fù)合材料防隔熱/承載一體化熱防護系統(tǒng)。開展了運載火箭尾段一體化熱防護系統(tǒng)設(shè)計,進行了代表性單胞結(jié)構(gòu)的高溫環(huán)境地面試驗,揭示了復(fù)合材料一體化熱防護系統(tǒng)的防隔熱機理。同時施加力學(xué)和熱流載荷,利用有限元方法對運載火箭尾段進行了熱力耦合分析,獲得了尾段結(jié)構(gòu)的溫度場、應(yīng)變場和應(yīng)力場。結(jié)果表明:在典型載荷工況下一體化熱防護系統(tǒng)內(nèi)壁溫度保持在89.2℃以下,內(nèi)部最大應(yīng)力不超過9.53 MPa,安全系數(shù)達(dá)到1.89。 

【文章來源】：上海航天(中英文). 2020,37(04)CSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

助推器尾段熱流密度隨時間的變化曲線

由于運載火箭筒壁為薄壁圓柱構(gòu)型，在進行一體化熱防護系統(tǒng)設(shè)計時，需要設(shè)計出曲面單胞結(jié)構(gòu)。由于波紋夾芯三明治結(jié)構(gòu)具有制備工藝簡單、可形成大尺寸組件、承載性能優(yōu)異、剛度性能良好等優(yōu)點，本文選用全復(fù)合材料波紋夾芯三明治結(jié)構(gòu)作為防熱/承載一體化熱防護系統(tǒng)的單胞結(jié)構(gòu)，開展波紋夾芯熱結(jié)構(gòu)在運載火箭尾段的應(yīng)用研究，并對尾段熱防護系統(tǒng)的熱力耦合性能進行表征。經(jīng)分析表明，雖然曲面波紋夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)眾多，但獨立設(shè)計參量僅有7個，其他設(shè)計參數(shù)都可以通過這7個獨立參數(shù)推導(dǎo)獲得。曲面波紋夾芯結(jié)構(gòu)的單胞結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由圖可見，單胞結(jié)構(gòu)的7個基本結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)分別為半徑R、單胞厚度L、圓心角φ、上面板厚度dT、腹板厚度dW、下面板厚度dB、腹板傾角θ。為了確定這7個基本參數(shù)，需要根據(jù)本文運載火箭尾段設(shè)計要求，從防熱、隔熱、承載3個方面分別建立數(shù)值分析模型，改變其中某個參數(shù)的數(shù)值，考查該參數(shù)對整體結(jié)構(gòu)的綜合性能的影響。本文分別開展了曲面單胞結(jié)構(gòu)的傳熱分析和屈曲分析，考查了7個基本參數(shù)對防隔熱和承載性能的影響。傳熱分析結(jié)果表明：上面板厚度對結(jié)構(gòu)的隔熱性能影響很�。欢拱搴穸葘Y(jié)構(gòu)的隔熱性能影響較大，這是由于腹板的“熱短路”效應(yīng)造成的；下面板厚度的增加能降低一體化熱結(jié)構(gòu)背面溫度峰值，但會顯著增加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；熱結(jié)構(gòu)厚度的增加能有效降低下面板溫度峰值，但會增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量。屈曲分析結(jié)果表明：上面板厚度對結(jié)構(gòu)的屈曲特性影響較大，這是因為上面板最易發(fā)生屈曲；單胞寬度的增加會增大上面板未支撐區(qū)域面積，結(jié)構(gòu)的屈曲特征值降低。根據(jù)傳熱分析和屈曲分析，對曲面單胞結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，獲得滿足防熱和承載兩方面要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，并結(jié)合運載火箭尾段的結(jié)構(gòu)特點，考慮制備工藝的簡便性，確定出運載火箭尾段曲面單胞結(jié)構(gòu)的基本尺寸參數(shù)，見表2。

另外，圓筒下端為一層2 mm厚的環(huán)形石英/酚醛板，將整個結(jié)構(gòu)封閉起來。基于波紋夾芯熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的火箭助推器尾段結(jié)構(gòu)/熱防護系統(tǒng)的幾何模型如圖3所示。2 單胞結(jié)構(gòu)的高溫環(huán)境實驗

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]艙段結(jié)構(gòu)熱振耦合環(huán)境下仿真分析[J]. 王金明,翟師慧.  上海航天(中英文). 2020(03)
[2]復(fù)燃對液體火箭返回階段底部熱環(huán)境的影響[J]. 李志鵬,包軼穎,孫培杰,王平陽.  上海航天(中英文). 2020(01)
[3]耐高溫氣凝膠隔熱材料研究進展[J]. 鎖浩,王偉,江勝君,崔升,沈曉冬,朱小飛,吳曉棟.  上海航天. 2019(06)
[4]防熱承載一體化復(fù)合材料電纜罩分析及驗證[J]. 李昱霖,安慶升,楊坤好,唐曉峰,劉龍濤.  空天防御. 2019(03)
[5]“獵鷹9”運載火箭海上平臺成功回收的分析及啟示[J]. 王芳,程洪瑋,彭博.  裝備學(xué)院學(xué)報. 2016(06)
[6]垂直起降重復(fù)使用運載火箭發(fā)展趨勢與關(guān)鍵技術(shù)研究進展[J]. 徐大富,張哲,吳克,李紅兵,林劍鋒,張曉東,郭筱曦.  科學(xué)通報. 2016(32)
[7]X-37B軌道試驗飛行器可重復(fù)使用熱防護系統(tǒng)綜述[J]. 周志勇,馬彬,張萃,韓修柱,劉峰,董彥芝.  航天器工程. 2016(04)
[8]新材料、新工藝助力長征七號首飛[J]. KJ.0626.  軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品. 2016(13)
[9]X-43A高超音速飛行器C/C熱防護涂層結(jié)構(gòu)分析[J]. 李崇俊.  高科技纖維與應(yīng)用. 2015(04)
[10]運載火箭尾段底板表面凸起物熱響應(yīng)研究[J]. 吳云峰,熊宴斌,吳俊峰.  強度與環(huán)境. 2015(01)

碩士論文
[1]高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)概念設(shè)計與分析方法研究[D]. 許青.南京航空航天大學(xué) 2017
[2]組合動力飛行器結(jié)構(gòu)/熱防護系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究[D]. 戴存喜.西北工業(yè)大學(xué) 2017



本文編號：3302468