金屬熱防護系統(tǒng)隔熱材料內(nèi)輻射特性分析及優(yōu)化.pdf

1、哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文摘要目 前飛行器的熱防護系統(tǒng)大部分都是一次性，不可重復(fù)使用，所以制造成本和維修成本比較高。美國航天飛機的出現(xiàn)加速了各國 對于可重復(fù)使用航天器的研制，金屬熱防護系統(tǒng)由于有可重復(fù)使用的特點使其成為各國 研制開發(fā)的重點。由于航天飛機的重量決定了其飛行距離和飛行成本， 所以 在金屬熱防護系統(tǒng)的研制過程中，都把降低金屬熱防護系統(tǒng)的重量作為首要考慮的問題。多層隔熱是一種減輕重量的有效方法，本文主要從數(shù)值模擬的角度出發(fā)，

2、利用二流密度法對傳熱過程編程模擬，估算出多層隔熱最大限度能夠減輕的重量。利用編制的程序只需輸入不同材料的參數(shù)就可以估算出該材料在不同溫差下的熱傳導性能，對進一步實驗和選擇材料具有指導意義。本文對高溫隔熱多層材料中的熱傳導作了介紹，這種多層材料用在可返回飛行器的金屬熱防護系統(tǒng)中。 介紹了纖維隔熱材料和多層氈中的輻射和傳導混合傳熱的數(shù)值解法，并采用二流密度法作為本文的理論依據(jù)。 用遺傳算法對輻射參數(shù)進行估算。 得到參數(shù) a , = 0 .

3、9 ; a 2 = 4 . 8 e - 6 ; a 3 = 4 2 . 6 ; a 4 = 0 . 0 2 4 0討論了影響纖維隔熱材料有效熱傳導率的因素。對多層隔熱材料的重量和金箔的位置進行優(yōu)化。優(yōu)化的結(jié)果表明，金箔間距越小越靠近高溫邊界效果越好，但實驗中金箔間距最小只能為 2 m m ，所以金箔間距取 2 m m 并且第一層金箔距高溫邊界 2 m m 是最佳的位置，加六層金箔可以使隔熱材料的重量減到最小，可節(jié)省重量 1 4 .

4、 8 8 %0關(guān)鍵詞 熱防護系統(tǒng);多層;優(yōu)化;輻射哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文第1 章 緒論1 . 1 課題背景航天器在返回時，要以很高的速度進入大氣層，在空氣動力的作用下急劇減速，同時其巨大的動能和位能轉(zhuǎn)化為巨大的熱能，而熱防護系統(tǒng)的作用就是盡量減少進入運載器內(nèi)部的熱能，使航天器機身和其內(nèi)部部件在合理的 溫 度范圍 之內(nèi) 正 常工作 [ ’ ] 。 現(xiàn) 有的 熱防 護系 統(tǒng) 大 部 分均為 陶瓷 瓦， 這 種 熱防護系統(tǒng)硬脆且易碎。

5、2 0 0 3年哥倫比亞號航天飛機爆炸的悲劇就是由于熱防護系統(tǒng)在升空時受到泡沫材料的撞擊后形成裂隙，航天飛機重返大氣層時，超高溫氣體得以從裂隙處進入 “ 哥倫比亞”號機體， 造成航天飛機解體。由此可見航天器的熱防護系統(tǒng)是關(guān)系到航天器能否安全返回的一項關(guān)鍵技術(shù)。航天器的熱防護系統(tǒng)主要分吸熱式、 燒蝕式、 輻射式[ 2 1 。 吸熱式熱防護系統(tǒng)就是利用防熱層材料的熱容量吸收大部分氣動熱的一種防熱方法，這種方法簡單易行，所以被早期的飛船所采用

6、，但是它的防熱效率不高。燒蝕熱防護系統(tǒng)是利用燒蝕材料來帶走大部分氣動熱，從而使航天器的機體得到保護的一種防熱方式。 這種技術(shù)成熟可靠，所以被各國的返回艙所采用，如美國的“ 阿波羅”號返回艙，前蘇聯(lián)的 “ 聯(lián)盟” 號飛船返回艙，中國的 “ 神舟”號飛船返回艙。但這種熱防護系統(tǒng)是一次性的，不可重復(fù)使用。由于是一次性的， 所以制造成本和維修成本比較高。美國航天飛機的出現(xiàn)加速了各國對于可重復(fù)使用航天器的研制，輻射式熱防護系統(tǒng)由于有可重復(fù)使用的特

7、點使其成為各國研制開發(fā)的重點。在再入大氣層過程中，由于可返回飛行器周圍的氣浪沖擊而產(chǎn)生氣動加熱，所產(chǎn)生的熱量可導致表面溫度高達 1 0 0 0 - 2 0 0 0 0 C 。利用金屬熱防護系 統(tǒng)使飛行器避免這種強烈的加熱。 典型的設(shè)計要求規(guī)定[ 3 ) :飛行器的結(jié)構(gòu)溫度不能超過 1 7 7 ` C a有四種熱防護系統(tǒng)用在航天飛機上:碳一 碳材料用在頭部和邊緣，陶瓷瓦用在迎風面和下風面，中間絮有軟物的陶瓷熱防護系統(tǒng)和有機氈熱防護系統(tǒng)