運載火箭尾段防熱/承載一體化熱防護系統(tǒng)設計及性能分析
發(fā)布時間：2021-07-25 17:34
先進熱防護技術是可重復使用運載火箭研制的關鍵技術之一,具有高結構效率的防熱/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)地總結了可重復使用運載火箭尾艙段防熱和承載兩方面的設計要求,設計了一種全復合材料防隔熱/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)設計,進行了代表性單胞結構的高溫環(huán)境地面試驗,揭示了復合材料一體化熱防護系統(tǒng)的防隔熱機理。同時施加力學和熱流載荷,利用有限元方法對運載火箭尾段進行了熱力耦合分析,獲得了尾段結構的溫度場、應變場和應力場。結果表明: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)部最大應力不超過9.53 MPa,安全系數(shù)達到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型，在進行一體化熱防護系統(tǒng)設計時，需要設計出曲面單胞結構。由于波紋夾芯三明治結構具有制備工藝簡單、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，本文選用全復合材料波紋夾芯三明治結構作為防熱/承載一體化熱防護系統(tǒng)的單胞結構，開展波紋夾芯熱結構在運載火箭尾段的應用研究，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構的設計參數(shù)眾多，但獨立設計參量僅有7個，其他設計參數(shù)都可以通過這7個獨立參數(shù)推導獲得。曲面波紋夾芯結構的單胞結構示意圖如圖2所示。由圖可見，單胞結構的7個基本結構尺寸參數(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)對整體結構的綜合性能的影響。本文分別開展了曲面單胞結構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。傳熱分析結果表明：上面板厚度對結構的隔熱性能影響很�。欢拱搴穸葘Y構的隔熱性能影響較大，這是由于腹板的“熱短路”效應造成的；下面板厚度的增加能降低一體化熱結構背面溫度峰值，但會顯著增加結構的質(zhì)量；熱結構厚度的增加能有效降低下面板溫度峰值，但會增加結構質(zhì)量。屈曲分析結果表明：上面板厚度對結構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，結構的屈曲特征值降低。根據(jù)傳熱分析和屈曲分析，對曲面單胞結構進行優(yōu)化設計，獲得滿足防熱和承載兩方面要求的最優(yōu)結構尺寸參數(shù)，并結合運載火箭尾段的結構特點，考慮制備工藝的簡便性，確定出運載火箭尾段曲面單胞結構的基本尺寸參數(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，將整個結構封閉起來。基于波紋夾芯熱結構設計的火箭助推器尾段結構/熱防護系統(tǒng)的幾何模型如圖3所示。2 單胞結構的高溫環(huán)境實驗
【參考文獻】：
期刊論文
[1]艙段結構熱振耦合環(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. 裝備學院學報. 2016(06)
[6]垂直起降重復使用運載火箭發(fā)展趨勢與關鍵技術研究進展[J]. 徐大富,張哲,吳克,李紅兵,林劍鋒,張曉東,郭筱曦. 科學通報. 2016(32)
[7]X-37B軌道試驗飛行器可重復使用熱防護系統(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. 軍民兩用技術與產(chǎn)品. 2016(13)
[9]X-43A高超音速飛行器C/C熱防護涂層結構分析[J]. 李崇俊. 高科技纖維與應用. 2015(04)
[10]運載火箭尾段底板表面凸起物熱響應研究[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)概念設計與分析方法研究[D]. 許青.南京航空航天大學 2017
[2]組合動力飛行器結構/熱防護系統(tǒng)設計技術研究[D]. 戴存喜.西北工業(yè)大學 2017
本文編號：3302468
【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型，在進行一體化熱防護系統(tǒng)設計時，需要設計出曲面單胞結構。由于波紋夾芯三明治結構具有制備工藝簡單、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，本文選用全復合材料波紋夾芯三明治結構作為防熱/承載一體化熱防護系統(tǒng)的單胞結構，開展波紋夾芯熱結構在運載火箭尾段的應用研究，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構的設計參數(shù)眾多，但獨立設計參量僅有7個，其他設計參數(shù)都可以通過這7個獨立參數(shù)推導獲得。曲面波紋夾芯結構的單胞結構示意圖如圖2所示。由圖可見，單胞結構的7個基本結構尺寸參數(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)對整體結構的綜合性能的影響。本文分別開展了曲面單胞結構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。傳熱分析結果表明：上面板厚度對結構的隔熱性能影響很�。欢拱搴穸葘Y構的隔熱性能影響較大，這是由于腹板的“熱短路”效應造成的；下面板厚度的增加能降低一體化熱結構背面溫度峰值，但會顯著增加結構的質(zhì)量；熱結構厚度的增加能有效降低下面板溫度峰值，但會增加結構質(zhì)量。屈曲分析結果表明：上面板厚度對結構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，結構的屈曲特征值降低。根據(jù)傳熱分析和屈曲分析，對曲面單胞結構進行優(yōu)化設計，獲得滿足防熱和承載兩方面要求的最優(yōu)結構尺寸參數(shù)，并結合運載火箭尾段的結構特點，考慮制備工藝的簡便性，確定出運載火箭尾段曲面單胞結構的基本尺寸參數(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，將整個結構封閉起來。基于波紋夾芯熱結構設計的火箭助推器尾段結構/熱防護系統(tǒng)的幾何模型如圖3所示。2 單胞結構的高溫環(huán)境實驗
【參考文獻】：
期刊論文
[1]艙段結構熱振耦合環(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. 裝備學院學報. 2016(06)
[6]垂直起降重復使用運載火箭發(fā)展趨勢與關鍵技術研究進展[J]. 徐大富,張哲,吳克,李紅兵,林劍鋒,張曉東,郭筱曦. 科學通報. 2016(32)
[7]X-37B軌道試驗飛行器可重復使用熱防護系統(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. 軍民兩用技術與產(chǎn)品. 2016(13)
[9]X-43A高超音速飛行器C/C熱防護涂層結構分析[J]. 李崇俊. 高科技纖維與應用. 2015(04)
[10]運載火箭尾段底板表面凸起物熱響應研究[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)概念設計與分析方法研究[D]. 許青.南京航空航天大學 2017
[2]組合動力飛行器結構/熱防護系統(tǒng)設計技術研究[D]. 戴存喜.西北工業(yè)大學 2017
本文編號：3302468
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