第24卷第5期宇航學(xué)報2003年9月Journal of AstronauticsSeptember熱防護(hù)系統(tǒng)多層隔熱結(jié)構(gòu)傳熱分析及性能研究馬忠輝,孫秦1,王小軍2,楊勇(1.西北工業(yè)大學(xué)飛機(jī)系,西安710072;2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京100076)摘要:由外部高溫合金殼板及內(nèi)部多層隔熱結(jié)構(gòu)組成的金屬熱防護(hù)系統(tǒng)被認(rèn)為將在未來重復(fù)使用運載器上大面積采用。分析了多層隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)熱與輻射的復(fù)合換熱問題。采用二熱流近似方法分析了纖維席內(nèi)的輻射熱流。分析了多孔介質(zhì)纖維席內(nèi)氣體、固體有效導(dǎo)熱系數(shù)。并應(yīng)用有限差分法建立了多層隔熱結(jié)構(gòu)瞬態(tài)傳熱數(shù)值分析模型。反射屏層數(shù)、發(fā)射率及纖維席厚度、密度是多層隔熱結(jié)構(gòu)重要的設(shè)計參數(shù)。詳細(xì)的分析了這些參數(shù)對多層隔熱結(jié)構(gòu)隔熱性能的影響,總結(jié)了提高多層隔熱結(jié)構(gòu)隔熱性能的方法關(guān)鍵詞:重復(fù)使用運載器;熱防護(hù)系統(tǒng);溫度場;多層隔熱結(jié)構(gòu)中圖分類號:V45文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-1328(2003)05-0543-04維的固體導(dǎo)熱、氣體導(dǎo)熱、氣體在纖維空間的自然對0引言流換熱,及反射屏之間有纖維隔熱席參與的輻射換重復(fù)使用運載器(RLV)熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)的作熱。由于自然對流換熱量很小,本文研究中忽略氣體用是在上升/再入氣動加熱過程中確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)在的自然對流換熱。在上升/再入過程中防熱結(jié)構(gòu)經(jīng)受使用溫度范圍內(nèi)。經(jīng)過幾十年的研究,金屬熱防護(hù)系巨大的氣動加熱,在與反射屏及纖維席平行方向上統(tǒng)有很大的發(fā)展,被認(rèn)為是未來重復(fù)使用運載器最的一定范圍內(nèi)的溫度變化不大,熱流主要由外向內(nèi)重要的熱防護(hù)系統(tǒng)·。金屬熱防護(hù)系統(tǒng)外部是髙溫傳遞,故可將多層隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)傳熱簡化為無熱源的合金殼板,內(nèi)部為不承載的高溫多層隔熱結(jié)構(gòu)。多層一維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。對于多孔體的傳熱,孔隙里的隔熱結(jié)構(gòu)由多層隔熱材料和屏蔽材料相間組成,是輻射傳熱將產(chǎn)生作用,由于導(dǎo)熱的計算形式比簡單,種由纖維席隔開的多層反射屏蔽輕質(zhì)隔熱系統(tǒng),習(xí)慣上把輻射傳熱看成是附加的影響,則纖維席內(nèi)具有良好的隔熱性能。多層隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計中涉及到有介質(zhì)參與的輻射換熱和導(dǎo)熱的復(fù)合傳熱的能量控的參數(shù)很多,僅靠實驗很難完成,國外對多層隔熱結(jié)制方程為構(gòu)數(shù)值分析研究一直很重視,建立了一些數(shù)值分析模型,并對多層隔熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了探oc/=dk/-a(1)討。多層隔熱結(jié)構(gòu)按反射屏的不同可分為兩種類型:初始及邊界條件為類是由金屬箔構(gòu)成的反射屏,多用于高溫情況;另T(x,0)=類由金屬鍍膜構(gòu)成反射屏,常用于中、低溫范T(0,t)=T1(t)圍。目前國內(nèi)關(guān)于多層隔熱結(jié)構(gòu)性能的研究多集T(L,t)=T2(t)或k中于后者。重復(fù)使用運載器熱防護(hù)系統(tǒng)中的多層隔熱結(jié)構(gòu)屬于第一類,本文將在借鑒前人研究成果基式中T為溫度,P為有效密度,k為有效熱傳導(dǎo)系礎(chǔ)上,在重復(fù)使用運載器熱防護(hù)系統(tǒng)高溫多層隔熱數(shù),c為有效比熱,t為時間,L為纖維席厚度,q〃為結(jié)構(gòu)傳熱數(shù)值分析方法及性能分析方面進(jìn)行研究。輻H中國煤化工平行壁面內(nèi)有放射和吸1TPS多層隔熱結(jié)構(gòu)傳熱機(jī)理及數(shù)值分析模型收CNMHG題。當(dāng)介質(zhì)光學(xué)厚度(介質(zhì)特征尺度與光子平均行程的長度的比值)遠(yuǎn)大于高溫多層隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)存在多種形式的傳熱:纖1時,可以應(yīng)用羅斯蘭德近似式進(jìn)行分析,文獻(xiàn)[6],收稿日期教據(jù)20,修回日期:200716544[7]采用這樣的分析方法。當(dāng)介質(zhì)光學(xué)厚度很小時忽略介質(zhì)對其自身放射輻射的吸收,在這種情況下對于不同的介質(zhì)層輻射換熱的過程是一樣的,與其式中k;為纖維席母體材料的導(dǎo)熱系數(shù),f為固體部位置無關(guān),而且介質(zhì)中的溫度也與位置無關(guān)。但在分所占比率。在研究熱流在不同介質(zhì)內(nèi)傳遞的宏觀進(jìn)行多層隔熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時介質(zhì)的光學(xué)厚度并不特性時,多種經(jīng)驗及統(tǒng)計方法被采用以分析局部的已知,因此本文應(yīng)用適合于任何光學(xué)厚度的二熱流體積平均特性,本文采用并聯(lián)模型分析纖維席有效熱傳導(dǎo)系數(shù):近似方法進(jìn)行分析4,輻射熱流梯度為fk,+(1-f)k(10)ar/(1-a)(G- 4or)方程(1)到(10)建立了多層隔熱結(jié)構(gòu)傳熱模型,由此式中B為光子平均行程長度的倒數(shù),G為纖維席內(nèi)可以利用數(shù)值分析方法對多層隔熱結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度響輻射,σ為斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)。ω為散射的反射應(yīng)進(jìn)行建模分析率。假設(shè)散射在各個方向上相同,介質(zhì)為漫灰表面應(yīng)用有限差分法對控制方程(1)進(jìn)行離散,采用應(yīng)用二熱流近似方法纖維席輻射熱流與內(nèi)輻射梯全隱式差分格式建立多層隔熱結(jié)構(gòu)瞬態(tài)傳熱數(shù)值分度有關(guān)析模型。多層隔熱結(jié)構(gòu)存在相互并列的導(dǎo)熱、輻射兩1 aq(4)條傳熱途徑。整個分析過程采用統(tǒng)一的離散單元,對每個纖維席內(nèi)的輻射可以通過解如下二階微分方程結(jié)構(gòu)的單元離散綜合考慮了這兩個分析過程的特獲得點。多層隔熱結(jié)構(gòu)瞬態(tài)傳熱分析涉及到求解纖維席2aG內(nèi)輻射熱流,本文應(yīng)用有限差分法建立相對獨立的3(1+G=401(5)纖維席內(nèi)輻射一維數(shù)值分析模型,在每個時間層上在纖維席邊界處遵循如下邊界條件分別計算各個纖維席內(nèi)輻射熱流。+G=401(6)2多層隔熱結(jié)構(gòu)性能分析多層隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到很多幾何、物理性能d+G=401(7)參數(shù),各參數(shù)對隔熱性能的影響是指導(dǎo)設(shè)計的關(guān)鍵本節(jié)將對幾個主要的參數(shù)進(jìn)行分析。本節(jié)分析模型式中c為纖維席兩側(cè)反射屏或邊界結(jié)構(gòu)發(fā)射率,下用纖維席為密度8kg/m的純多晶氧化鋁纖維,標(biāo)i、i+1表示纖維席熱冷兩側(cè)的邊界纖維粗3m。纖維席上下邊界結(jié)構(gòu)及反射屏均為高多層隔熱結(jié)構(gòu)中同時存在氣體導(dǎo)熱與固體導(dǎo)溫合金GH99,反射屏厚0.04mm,邊界結(jié)構(gòu)厚熱,控制方程(1)中k為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)。在中等壓Imm,內(nèi)邊界絕熱,外部熱邊界溫度及環(huán)境氣壓模力條件下氣體導(dǎo)熱系數(shù)不隨氣壓改變,但在氣體分?jǐn)M典型再入環(huán)境的熱邊界溫度及大氣壓,如圖1、子平均自由程與孔隙尺寸可以比較的區(qū)域,氣體分2所示。子與邊界固體表面的傳熱受到環(huán)境氣壓的影響,將溫度階躍理論應(yīng)用于稀薄氣流傳熱,獲得多孔介質(zhì)內(nèi)氣體導(dǎo)熱系數(shù)為712001+2中國煤化工式中k為大氣壓下氣依賴于溫度的氣體導(dǎo)熱系CNMHG數(shù),α為適應(yīng)系數(shù),為氣體比熱比,p,為普朗特數(shù),05001000150020002500λn為分子平均自由程,為特征尺度。用理論方法時間(s)分析通過纖維及它們之間接觸點的固體導(dǎo)熱非常困1上邊界溫度時間變化曲線難,本文具定應(yīng)用經(jīng)驗的近似公式進(jìn)行分boundary temperature析第5期馬忠輝等:熱防護(hù)系統(tǒng)多層隔熱結(jié)構(gòu)傳熱分析及性能研究1000厘米的厚度內(nèi)放2到3個反射屏,而且據(jù)分析目前能夠達(dá)到的最小厚度為2mm4。本節(jié)分析結(jié)論適用于熱防護(hù)系統(tǒng)多層隔熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計0.01IE-305001000150020002500時間(s圖2氣壓時間變化曲線Fig. 2 Pressure versus time05001000150020002500時間(s)2.1反射屏層數(shù)分析保持多層隔熱結(jié)構(gòu)纖維席及反射屏的總厚度圖4纖維席厚度不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)對比76mm不變,依次遞增反射屏數(shù),并保持各纖維席厚Fig 4 Comparison of inner structure temperature度相等。圖3對比了下邊界結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)隨反射屏of imi with different fibrous thickness增加的變化特點,隨著反射屏數(shù)的增加內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫2.3纖維席密度分析度逐漸降低。這與文獻(xiàn)[3]中通過增加反射屏層數(shù)降多層隔熱結(jié)構(gòu)總厚76mm,含有均勻布置的9低內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度的道理一致。圖3顯示每增加一個層反射屏,保持其它參數(shù)不變逐漸增加纖維席密反射屏使內(nèi)部結(jié)構(gòu)峰值溫度降低的幅度隨多層隔熱度。圖5對比分析了維席密度為由6kg/m3增至結(jié)構(gòu)內(nèi)反射屏數(shù)量的增多而減小。這說明新增反射6kg/m3過程中多層隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)邊界結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)屏的效率隨反射屏數(shù)目的增多而降低變化。隨著密度的增大內(nèi)邊界結(jié)構(gòu)溫度上升時間推后,峰值溫度減小。纖維席密度增加使纖維席中纖維1000母體材料的比率增加,加大了等溫等壓條件下纖維席有效熱傳導(dǎo)系數(shù),但同時纖維席密度增加減弱了纖維席內(nèi)部輻射,兩者對隔熱性能的影響剛好相反,從分析結(jié)果可以看出,纖維席密度的增加從整體上提高了多層隔熱結(jié)構(gòu)的隔熱性能。纖維席密度不可200能太大,密度的增加將會增加整個結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,因此05001000150020002500在優(yōu)化設(shè)計中 Keller首先增加靠近熱邊界的纖維時間(s)席的密度,提高結(jié)構(gòu)的隔熱性能圖3反射屏層數(shù)不同內(nèi)邊界結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)Fig 3 Comparison of inner structure temperatureof imi with different foil number2.2纖維席厚度分析保持多層隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)5層反射屏不變,逐漸等量增加各反射屏間纖維席厚度,從圖4的對比可以中國煤化工看岀隨著纖維席厚度的增加內(nèi)部邊界結(jié)構(gòu)峰值溫度CNMHG0150020002500逐漸減小。纖維席增厚會減弱反射屏對輻射換熱的時間(s熱阻,但同時增強(qiáng)纖維席的隔熱作用,本節(jié)分析了纖維席厚度在0.5mm至18mm范圍的變化特征,在圖5不同纖維席密度內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)對比這一范圍府娉勰糖維席厚度會提高整個結(jié)構(gòu)的隔熱of IMI with different fibrous density性能。國外熱防護(hù)系統(tǒng)高溫多層隔熱結(jié)構(gòu)通常在每2.4反射屏發(fā)射率分析Systems for the reusable launch vehicle, nasa technic反射屏和纖維席總厚76mm,在纖維席間均勻10296,1996插入9層反射屏,邊界結(jié)構(gòu)及反射屏具有相同的發(fā)2]1hnT.Dey,calC.Pote, Metallic Thermal ProtectieTechnology Development: Concept, Requirements and射率。對比分析反射屏發(fā)射率由0.02增至0.05過Assessment Overview, AlAA 2002-0502程中內(nèi)邊界結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)的變化特點發(fā)現(xiàn),隨著的3] Keller K, Hoffmann M., Corner w and blumenberg發(fā)射率的增大內(nèi)邊界結(jié)構(gòu)峰值溫度逐漸上升。反射Application of High Te屏發(fā)射率對多層隔熱結(jié)構(gòu)隔熱性能的影響主要通過Acta Astronautica, 1992 26(6):451-458發(fā)射率對反射屏輻射換熱的影響,雖然反射屏表面4 amran Daryabeigi. Thermal Analysis and Design of Multilayer Insulation for Re-entry Aerodynamic Heating. AIAA的輻射換熱受到纖維席性能的影響,本節(jié)分析說明應(yīng)用發(fā)射率較低的反射屏?xí)岣叨鄬痈魺峤Y(jié)構(gòu)的隔[5]閔桂榮郭舜航天器熱控制北京科學(xué)出版社,19熱性能。[6] Alan D. Sullins, Kamran Daryabeigi. Effective ThermaConductivity of high Porosity Open Cell Nickel Foam. AIAA3結(jié)論2001-2819本文分析了重復(fù)使用運載器熱防護(hù)系統(tǒng)高溫多[7 Kamran Daryabeigi. Analysis and Testing of HighTemperature Fibrous Insulation for Reusable Launch層隔熱結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)熱與輻射換熱的復(fù)合傳熱問題.應(yīng)Vehicles. AIAA 99-1044用有限差分法建立了多層隔熱結(jié)構(gòu)瞬態(tài)傳熱數(shù)值分〔8]E.R,G.?？颂?R.M.德雷克,航青譯.傳熱與傳質(zhì)分析.北析模型,并詳細(xì)的分析了多層隔熱設(shè)計中幾個主要京:科學(xué)出版社,1986參數(shù)對隔熱性能的影響。多層隔熱結(jié)構(gòu)性能研究與優(yōu)化設(shè)計是實現(xiàn)未來重復(fù)使用運載器防熱-結(jié)構(gòu)體化設(shè)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。實現(xiàn)多層隔熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計需要大量的數(shù)值分析與實驗驗證相結(jié)合Q作者簡介:馬忠輝(1977-),女,博士研究生專業(yè):飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計;研究方向:重復(fù)使用航天運載器熱防護(hù)系統(tǒng)研究通信地址:北京9200信箱10分箱(100076參考文獻(xiàn):電話:010-8853147[1 Max L Blosser. Development of Metallic Thermal ProtectionTPS multi-layer insulation thermal analysis and performance studyMA Zhong-hui, SUN Qin, WANG Xiao-jun2, YANG Yong2(1. Northwest Polytechnical University, Xi'an 710072, China:2. Bejing Institute of Austronautical Systems Engineering, Beijing 100076, ChinaAbstract: Light weight, non-load-bearing internal multiscreen insulations (IMI) is an important insulation partof metallic thermal protection systems, which have been proposed for insulating major portions of reusable launchvehicles. The combined radiation/conduction heat transfer in high-temperature multi-layer insulationsnvestigated in the present study. A numerical thermal model was given using nonlinear, implicit, one-dimensionalfinite difference technique. The radiation heat transferV凵中國煤化工tion Solid and gasconduction were modeled using techniques for high porosity InCNMH Gmeter such as the foilnumber, spacing, locating, emittance and fibrous density were analyzed. The parameter design rules aresummarized, which are helpful to the optimum design of IMI for reusable launch vehicleKey words: reusable launch vehicle (RL V): thermal protection system(TPS); temperature field internalmu片芳數(shù)據(jù)ons(M