高超声速飞行器热防护系统概念设计与分析方法研究

摘要

随着航空航天技术的日趋发展和成熟，以航天飞机、可重复使用运载器等为代表的高超声速飞行器是目前各主要国家和地区的研究热点，其研究成果对国家安全、民用建设以及科学研究都有着极其重要的意义。在进行高超声速飞行器设计时，由于其自身的特殊性，常规飞行器的设计分析方法将不再适用，需要从概念设计阶段开发全新的针对高超声速飞行器总体设计和分析的方法。
　　高超声速飞行器包含众多子系统，热防护系统（Thermal protection system，TPS）是其中最重要的子系统之一。国内目前针对高超声速飞行器概念设计阶段的整机TPS分析设计方法研究不足，本文以此为出发点，研究了TPS概念设计方法。考虑飞行器概念设计阶段的特点，首先分析了高超声速飞行器再入过程中表面热交换情况，并对表面热交换情况进行简化，建立导热模型，之后分别使用有限元法、有限差分法和有限体积法求解导热模型并比较三种方法的计算精度和计算效率。经过比较发现在本文研究范围之内有限元法具有较高的精度和效率，选择相对高效的计算方法将在高超声速飞行器全机TPS分析计算中节省可观的时间。使用有限元法研究了TPS厚度设计方法并对若干常用的TPS材料建立材料厚度-热流密度代理模型，以提高全机TPS设计速度。本文同时研究了TPS二维导热模型一维简化分析方法，并以ITPS单元为算例验证了分析方法的有效性。
　　本文使用wxPython作为平台，设计制作TPS快速设计分析工具和相配套的热防护材料库软件，然后以X37B全尺寸模型为算例，仿照“哥伦比亚”号航天飞机轨道器的TPS对本文X37B模型TPS方案进行设计选型。本文为X37B模型分析设计了两套不同的TPS方案，通过比较发现两套方案有着符合历史数据和工程经验的重量和体积，说明了本文所开发软件工具的有效性和实用性，可以作为概念设计阶段高超声速飞行器TPS的快速分析工具。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1. 2 国内外研究现状

1. 3 本文的研究内容

第二章 TPS概念设计方法研究

2.2 TPS导热模型建立与求解

2.3 TPS导热模型求解方法验证

2.4 TPS厚度设计方法

2.5 TPS材料厚度-热流密度代理模型建立

2. 6 本章小结

第三章 TPS模型简化分析方法研究

3. 1 多层材料TP S一维导热模型简化方法

3. 2 一体化TP S结构一维简化方法

3.3 ITPS二维导热模型和一维简化导热模型分析对比

3. 4 本章小结

第四章 TPS快速分析设计软件开发以及算例应用

4.1 TPS材料库软件设计

4.2 TPS快速分析设计软件制作

4. 3 X37B模型算例计算

4. 4 本章小结

第五章 总结与展望

5. 2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录A

附录B