航天器高温热保护系统传热计算与数值分析

摘要

飞行器在高超速飞行时(Ma=8的速度)头锥、机翼和尾翼前缘等处的温度可高达1455℃-1793℃。为了保证飞机机体结构的完整、飞行人员的安全和机载设备的正常运转，在高超音速飞行器上需要敷设热保护系统。热保护系统对于飞行器的总体设计方案和性能具有举足轻重的地位。经过几十年来的发展，金属基热保护隔热系统逐渐脱颖而出，成为未来可重复使用航天运载器热保护系统的首选，因此，因此研究金属基热保护系统，对未来航天运载器的发展有着举足轻重的地位。 本文对金属基热保护系统的传/隔热性能进行研究，主要针对多层隔热系统和蜂窝夹层隔热系统进行研究。首先，分析和研究了金属基多层隔热结构中的热传递过程，确定了其热传递的主要途径和方式。采用有限差分法和两通量方法来分析辐射和导热耦合作用下多层隔热结构在不同温度下的等效导热系数。另外，本文经过比较和分析发现：在金属基多层隔热结构中，对流传热对整个热传递影响有限。其次，用有限单元方法模拟金属基蜂窝夹层隔热结构的热传导过程，分析影响其传热的主要因素。应用有限单元法模拟固-固接触时热传递过程，研究了接触体热传递的形式和特点。最后根据前面各项研究的方法和结论，研究了在恒定热流下飞行器前缘和头锥结构的隔热系统的热传递。 研究结果表明，对于多层隔热结构，由于辐射传热与温度成四次方关系，随着温度升高，等效导热系数也明显增大；对于蜂窝夹层结构，等效导热系数是板上平均温度的函数，也随蜂窝高度与其外接圆半径之比有关。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

第2章热传导基本原理及有限单元法在传热学中的应用

2.1辐射传热原理

2.2.热传导

2.3热传导方程的计算方法

第3章TPS多层隔热结构传热分析与数值计算

第4章航天器蜂窝夹层结构传热计算与分析

第5章接触传热有限元分析

第6章航天器头锥结构、前缘结构传热计算

第7章结论和展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文