一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)防熱特性研究*

陳正明，趙金峰

(1.江南機(jī)電設(shè)計(jì)研究所，貴州 貴陽(yáng) 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(guò)5馬赫，且飛行過(guò)程中需要面臨惡劣的氣動(dòng)加熱環(huán)境，因此對(duì)彈體的熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求更加嚴(yán)格。熱防護(hù)系統(tǒng)的任務(wù)：一是保證電子儀器和機(jī)械設(shè)備有效可靠工作，并在一定的溫度范圍內(nèi)正常工作；二是保證溫度場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性，以保護(hù)一些有效載荷較高的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。由于大多數(shù)材料的熱膨脹系數(shù)非零，溫度的變化將會(huì)導(dǎo)致熱變形，對(duì)于一些設(shè)備來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)變形將造成嚴(yán)重影響。

傳統(tǒng)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)使用燒蝕材料、熱防護(hù)涂層、防/隔熱材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)形式單一且功能不全面[1]。隨著新材料以及新技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)/功能一體化的設(shè)計(jì)思路為高超聲速飛行器的熱防護(hù)設(shè)計(jì)方案提供了新的發(fā)展思路[2]。在保證熱防護(hù)性能的前提下，一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)還需要承擔(dān)氣動(dòng)力載荷以及面內(nèi)載荷，以實(shí)現(xiàn)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(hù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(hù)材料填充，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高超聲速飛行器的熱防護(hù)。一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)屬于被動(dòng)式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)功能是通過(guò)上面板的輻射散熱、下面板的熱沉結(jié)構(gòu)吸收以及熱防護(hù)材料的低導(dǎo)熱率三者共同實(shí)現(xiàn)[5]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展了一系列研究。 Wang等[6]進(jìn)行了一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗拉伸和抗彎曲試驗(yàn)，證明了結(jié)構(gòu)的承載能力。Xie等[7]進(jìn)行了熱力耦合仿真分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)擁有較好的熱防護(hù)性能，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了結(jié)構(gòu)的承載性能。除了改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，一些學(xué)者還對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高結(jié)構(gòu)的承載/防熱性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化。張志理等[8]采用遺傳算法改善了波紋夾芯板的防護(hù)性能。劉偉先等[9]采用全局響應(yīng)面法，以結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的減重優(yōu)化。

為確保飛行器的正?？煽抗ぷ?，需要對(duì)飛行器進(jìn)行熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10]。氣動(dòng)加熱及其防熱問(wèn)題是研制高超聲速飛行器必須面臨的重大課題。如何準(zhǔn)確確定氣動(dòng)加熱環(huán)境并進(jìn)行熱防護(hù)設(shè)計(jì)，如何選擇合適的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)方案，這些都是研制高超聲速飛行器的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[11]。筆者重點(diǎn)針對(duì)高超聲速飛行器熱防護(hù)性能不足的問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于典型一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)熱傳遞仿真分析，驗(yàn)證一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)性能，并通過(guò)對(duì)一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得出不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能響應(yīng)的敏感度，對(duì)一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳遞分析

一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見(jiàn)表1，上面板及腹板選用2.5D石英編織體/酚醛樹(shù)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(hù)材料SiO2氣凝膠，該材料具有良好的防/隔熱性能，同時(shí)重量輕，被稱(chēng)為超級(jí)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(shù)脂RTM體系材料+3 mm高強(qiáng)度鋁合金，材料熱性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)方案尺寸參數(shù)

表2 材料熱性能參數(shù)

結(jié)構(gòu)主要分為三個(gè)部分，由上到下分別為上面板、夾芯防熱層(腹板+熱防護(hù)材料)、下面板。上面板即為飛行器外表面，上面板承受來(lái)自氣動(dòng)加熱引起的熱載荷以及氣動(dòng)載荷直接作用，為高溫結(jié)構(gòu)，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(hù)功能的熱防護(hù)材料組成，熱防護(hù)材料填充于腹板之間的空隙，可減少向內(nèi)表面?zhèn)鬟f的熱量，熱防護(hù)材料不參與結(jié)構(gòu)的承載；下面板吸收由腹板傳遞過(guò)來(lái)的熱量，為低溫結(jié)構(gòu)，選用比熱容較高的材料，以保證內(nèi)表面溫度控制在一定范圍內(nèi)[12]。

1.1 建立一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)仿真模型

一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱模型如圖2所示，主要由熱流密度、表面熱輻射、結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)以及邊界條件組成。熱流密度直接作用在上表面，同時(shí)上表面與周?chē)h(huán)境輻射換熱，上面板受到的熱量通過(guò)腹板以及熱防護(hù)材料傳遞到下面板，下面板吸收傳遞而來(lái)的熱量。

圖2 一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，需要對(duì)模型進(jìn)行假設(shè)：①將下面板視為絕熱狀態(tài)，不與飛行器結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行熱量交換；②忽略各艙段之間的熱傳導(dǎo)，只考慮本艙段的熱傳導(dǎo)，即模型側(cè)面沒(méi)有熱量的流入和流出；③忽略不同材料之間的接觸熱阻，結(jié)構(gòu)各個(gè)接觸面均為理想傳熱。假設(shè)較為保守，計(jì)算的溫度高于實(shí)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(jì)算溫度響應(yīng)時(shí)，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)表面溫度變化的影響，計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)溫度不能夠有效評(píng)估熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能。因?yàn)樵趯?shí)際飛行過(guò)程中，飛行器表面溫度受氣動(dòng)加熱的影響不斷變化，外表面溫度越高，輻射熱流越大，進(jìn)入結(jié)構(gòu)的凈熱流越低。因此，需要對(duì)冷壁熱流密度進(jìn)行修正得到熱壁熱流密度及凈熱流密度，由公式(1)對(duì)冷壁熱流密度進(jìn)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(fù)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(shù)，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(guī)律與冷壁熱流密度變化規(guī)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(hù)結(jié)構(gòu)熱傳遞分析

飛行器高速飛行時(shí)，氣動(dòng)加熱引起的熱載荷直接作用于上表面，一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱過(guò)程為瞬態(tài)傳熱過(guò)程，溫度場(chǎng)隨時(shí)間不斷地變化，使用有限元分析軟件Abaqus進(jìn)行瞬態(tài)熱傳遞分析，得到不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖，如圖4所示。283 s時(shí)，結(jié)構(gòu)上面板溫度達(dá)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(jié)構(gòu)溫差達(dá)到最大。576 s時(shí)飛行最終時(shí)刻，結(jié)構(gòu)下表面溫度達(dá)到最大值420.06 K。

圖4 仿真分析結(jié)果

為了進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)傳熱特性進(jìn)行分析，在結(jié)構(gòu)上選取了6個(gè)特征點(diǎn)，如圖5所示。特征點(diǎn)1，2，3，4為沿腹板中心線由上往下，特征點(diǎn)5，6分別為氣凝膠中心線的上端點(diǎn)和下端點(diǎn)，且分別與特征點(diǎn)2，3在同一高度上，以分析熱防護(hù)材料SiO2氣凝膠對(duì)一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)防熱性能的影響。

圖5 特征點(diǎn)分布圖

特征點(diǎn)溫度隨時(shí)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(jié)構(gòu)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(dá)最大值后，上表面溫度在283 s到達(dá)最大值1 163.08 K，此時(shí)下表面溫度為323.84 K，與結(jié)構(gòu)初始溫度相差不大，上下表面溫差達(dá)到最大值837.55。上表面溫度還未到達(dá)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(diǎn)先后受到氣動(dòng)加熱的影響，距離外表面越遠(yuǎn)受到氣動(dòng)加熱的影響越小且響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，升溫速率越緩慢。在576 s時(shí)，上表面溫度為919.41 K，下表面溫度為449.62 K，結(jié)構(gòu)溫差為469.79。

圖6 沿厚度方向各參考點(diǎn)溫度變化曲線

選取特征點(diǎn)2與5、特征點(diǎn)3與6兩組等高點(diǎn)進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，圖7為4個(gè)特征點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線，其目的是進(jìn)一步分析材料熱導(dǎo)率的不同對(duì)一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)性能影響。

圖7 特征點(diǎn)2、3、5、6溫度變化曲線

由圖7可知，由于SiO2氣凝膠的導(dǎo)熱率小于石英酚醛樹(shù)脂的熱導(dǎo)率，氣凝膠的熱阻大于石英酚醛樹(shù)脂的熱阻，因此，熱流密度能夠快速通過(guò)腹板，導(dǎo)致特征點(diǎn)5的溫度高于特征點(diǎn)2的溫度，特征點(diǎn)3的溫度高于特征點(diǎn)6的溫度。選用低熱導(dǎo)率的熱防護(hù)填充材料填充在夾層中能夠提升一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的防熱性能，同時(shí)也反映出了一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題以及腹板處的熱短路影響。

2 一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)防熱特性分析

一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)分為三部分，共同實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的防熱/承載功能，影響結(jié)構(gòu)熱防護(hù)性能的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有5個(gè)：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(jié)構(gòu)單胞長(zhǎng)度p，一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)初始參數(shù)見(jiàn)表1。文中引入試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法分析一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)防熱性能的影響。

采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行敏感性分析，敏感度分析的目的在于確定不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響程度。試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的結(jié)果經(jīng)相關(guān)性分析，能夠確定每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)下表面溫度的影響，相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式為：

(2)

樣本總變異x、y、SXY，X的樣本標(biāo)準(zhǔn)差SX，Y的樣本標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)差為：

相關(guān)系數(shù)r的絕對(duì)值越接近1，表明該設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)目標(biāo)響應(yīng)的影響程度越大。

圖8為各個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)下表面最低溫度的敏感度，其中腹板厚度tweb與目標(biāo)響應(yīng)呈正相關(guān)，單胞長(zhǎng)度p、下面板厚度tbuttom、夾層厚度th、上面板厚度ttop與目標(biāo)響應(yīng)呈負(fù)相關(guān)。

圖8 不同設(shè)計(jì)變量對(duì)下面板最低溫度的影響 圖9 不同設(shè)計(jì)變量對(duì)下面板最高溫度的影響

圖9為各個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)下表面最高溫度的敏感度，其中腹板厚度tweb、單胞長(zhǎng)度p與目標(biāo)響應(yīng)呈正相關(guān)，下面板厚度tbuttom、夾層厚度th、上面板厚度ttop與目標(biāo)響應(yīng)呈負(fù)相關(guān)。

由圖可以看出，結(jié)構(gòu)單胞長(zhǎng)度p與下面板厚度tbuttom對(duì)結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)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(duì)結(jié)構(gòu)熱防護(hù)性能影響相當(dāng)。下面板厚度tbuttom對(duì)結(jié)構(gòu)熱防護(hù)性能的影響體現(xiàn)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(jié)構(gòu)單胞長(zhǎng)度p與夾芯層厚度th反映了低熱導(dǎo)率材料的占比，占比越高，對(duì)熱載荷的抵御能力越強(qiáng)，同時(shí)腹板長(zhǎng)度的增加延長(zhǎng)了熱量傳遞的距離，降低了熱短路效應(yīng)。腹板厚度tweb影響結(jié)構(gòu)的熱短路效應(yīng)的大小，腹板厚度tweb越厚，熱短路效應(yīng)越明顯。

因此，通過(guò)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(hù)結(jié)構(gòu)防熱性能。但一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)除了防熱功能外，還具備結(jié)構(gòu)的承載功能，在設(shè)計(jì)熱防護(hù)性能時(shí)，還需要考慮結(jié)構(gòu)的尺寸要求以及力學(xué)性能要求。

3 結(jié) 論

文中通過(guò)建立一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳遞模型，進(jìn)行瞬態(tài)傳熱分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)的防熱特性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

(1) 通過(guò)對(duì)一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱傳遞分析得出，低熱導(dǎo)率的熱防護(hù)填充材料能夠有效提升結(jié)構(gòu)的防熱性能，同時(shí)分析還暴露出結(jié)構(gòu)存在熱短路的缺點(diǎn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)下表面溫度分布不均。

(2) 基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行敏感度分析，不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)性能影響有較大區(qū)別，其中影響結(jié)構(gòu)熱防護(hù)能力的主要參數(shù)是下面板厚度tbuttom和夾芯層厚度th，在設(shè)計(jì)一體化熱防護(hù)性能時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整這兩個(gè)設(shè)計(jì)變量以適應(yīng)不同部位的熱防護(hù)需求。

設(shè)計(jì)一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，除了考慮結(jié)構(gòu)的防熱功能外，還需要考慮結(jié)構(gòu)的承載功能。在確保熱防護(hù)性能的同時(shí)，還需要保證結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，并滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)尺寸要求。后續(xù)還需要開(kāi)展一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)在常溫和高溫條件下的力學(xué)性能分析。