空天飞行器热防护系统热短路与控制问题研究

刘斌吴儒亮徐绯

（1西北工业大学航空学院，西安 7 10072）（2西北工业大学无人机所，西安 7 10065）

1 引言

用于新一代可重复使用运载器 （Reusable Launch Vehicle，RLV）[1]——空天飞行器上的非烧蚀耐高温陶瓷基复合材料或金属材料的可重复使用盖板式热防护系统（Thermal Protection System，TPS）[2-3]是各航空航天大国的研究热点。其中固体连接/支撑结构引起的热短路问题及表面热防护单元间缝隙引起的热短路问题[4]会导致TPS底层被保护机体蒙皮上局部温度过高。对于结构中局部温度过高问题，民用产品中有多种散热方案，其中耗能结构有电子风扇强制热对流[5]、流体冷循环散热管[6]等方案；非耗能结构有增加壁面肋片[7]和独立安装散热片结构[8]等方案，较为理想的金属材料有银、铜、铝等，实际中多采用较为便宜的铝合金。散热片方案大多是在周围存在空气情况下与周围环境进行热交换实现散热。虽然空天飞行器被动TPS内部冷空气很少，但散热片能对热流方向进行控制的设计思路值得借鉴，通过对TPS内部温度场进行控制，使热短路问题得以优化。

文献[9]提出了转移表面高温区热量的疏导热防护思路，文献[10]也指出高导热材料对尖化前缘部位最高温的改善，但两者都未给出进一步的具体应用形式。在ESA的未来空间运输研究方案（FESTIP）中曾提出过含有散热片结构的盖板式TPS概念的设计思路[11]，地面试验及FEM分析表明其具有较好的力学和热学性能，未来将进一步在飞行器上进行试验。国内类似散热片结构对TPS温度场分布进行主动控制的研究文献比较少见，这里的散热片是一种能够控制热流走向，将局部高热量向面内四周分散以使温度更加均匀的薄壁结构，它由高导热材料制成。本文利用通用有限元软件ABAQUS对热短路导致机体局部温度过高的情形进行了热分析，研究了热流控制结构对温度场的影响，结果表明散热片能显著降低机体局部高温，为TPS中热短路问题的优化提供了可借鉴的设计思路。

2 TPS中支架热短路问题及改进

2.1 支架热短路问题数值分析模型

本文中的热短路问题是指TPS结构中的局部（边缘、内部支架处等）由于不存在隔热层，导致热量在此处过快地由高温区（面板）向低温区（机体）传递的现象。盖板式TPS具有防隔热及承受外部力学载荷的能力，典型陶瓷基复合材料（CMC）盖板式热防护结构[12]如图1所示。该结构底部铝合金机体与顶部复合材料面板通过支架结构连接，包括主要承力构件中央立柱和四周“Z”字形连接件，连接件具有固定面板、承载及协调热变形功能，这些结构的形状设计和分布需综合考虑热、力学性能。支架的热传导系数比周围填充的隔热毡大1～2个数量级，存在热短路问题。金属盖板式TPS中，四角处的螺栓及四周的柔性侧面板也会引起热短路[13]，另外其支架采用耐高温金属材料，热传导系数比低热导率的复合材料大得多，热短路问题会更加严重。

图1 典型复合材料盖板式TPS单元结构（隔热毡未显示）Fig.1 Typical CMCintegrated TPSunit structure(Insulation removed)

在这类热短路问题中，支架底部处的机体蒙皮局部温度过高，而远离高温区的蒙皮温度相对低得多。为改善这种局部温度过高问题，可以在TPS底部加入热流控制结构——散热片来合理控制热流流向。

对于散热片的设计，由于散热片将高温区与低温区“连通”，把热量从高温区传向低温区，所以需根据蒙皮温度分布情况确定其形状和布局。散热片应位于TPS靠近底部的位置，防止过早地将TPS上部高温区的热量传入底部，具体高度取决于散热效率，效率高则可适当降低位置，反之则需升高散热片以保证充足的散热时间。提高散热效率可以通过增大散热片在高、低温区接触面积来改善，在低温端设计“U”型支脚便是措施之一。此外，为了防止散热片对机体辐射过多热量，在散热片周围仍填充隔热毡，使散热主要以热传导的方式进行。

为了研究支架热短路问题，分别对无支架、有支架以及含热流控制结构的TPS进行传热分析，其三维几何模型如图2所示，几何尺寸见表1，热载荷采用图3所示的航天飞机再入时典型瞬态温度载荷。

图2 TPS模型Fig.2 TPSmodel

图3 再入段典型温度载荷曲线Fig.3 Typical temperature load during reentry

表1 TPS模型几何尺寸Tab.1 Sizesof TPSmodels mm

2.2 计算结果与分析

通过有限元分析软件ABAQUS对上述模型进行数值传热分析。在模型中，TPS面板采用耐高温C/SiC复合材料，隔热毡采用密度为48kg/m3的多晶铝合金纤维材料，散热片为热传导系数与铝合金相同的金属材料，机体蒙皮采用铝合金材料，均考虑了材料热学性能参数随温度的变化。TPS四周侧壁暂不计边缘缝隙的影响，设为绝热边界，机体的内表面通过表面对流换热模拟实际中蒙皮向较低温度的机体内部传递的热量，面板外表面施加热载荷，机体表面2500秒时刻的热流密度分布计算结果如图4，温度响应计算结果如图5。

图4 2500时刻机体表面热流密度分布Fig.4 Distribution of heat flux of the body skin at 2500s

从3种结构的机体表面热流密度分布情况可以看出，TPS中不含支架时，机体表面热流密度均匀分布（图4（a）），支架的加入使得支架底部热流密度集中严重（图4（b）），产生了严重的热短路问题，而散热片将支架底部的热流提前分散（图4（c）），具有保护支架底部机体的作用。

图5 机体表面温度响应Fig.5 Temperature response of the body skin

图5(a)中机体表面温度响应计算结果显示，无支架的TPS中，传热近似一维，蒙皮表面各处温度相同，最高温度为372.84K。加入支架后，中央立柱及“Z”形连接件底部的温度比其它位置明显高，其最高温度分别为520.55K、480.32K，超出了450K的使用温度限制；机体表面各处最高温度值相差达124.02K，立柱和支架底部的机体将会发生局部烧坏。加入散热片后，机体表面温度分布比较均匀，蒙皮表面各处最高温度值的最大差值减小到13.39K（图5(b)）。原中央立柱底部的机体高温区温度显著降低，最高温度值降低90.18K，降幅17.32%（图5(c)）；“Z”字形连接件底部的最高温度由原来的480.32K降低了62.31K（图5(d)）。同时，远离支架位置由于吸收了来自高温区的热量，温度有所升高，最高上升32.62K，但未超过450K使用温度限制（图5(b)）。由此可见，散热片的加入使蒙皮的温度分布更加均匀，TPS中央立柱及边缘“Z”字形连接件底部热流密度不再过大，避免蒙皮局部温度过高，改善了支架热短路引起的机体局部烧坏问题。

3 TPS缝隙辐射热短路问题及改进

3.1 TPS缝隙热短路问题数值分析模型

由于盖板式TPS应用于飞行器大面积区时需用拼接的方式铺设，热防护单元之间需留有毫米量级的间隙，以避免盖板在高温载荷下由于热膨胀相互挤压产生过高应力使TPS自身受到破坏。而中空缝隙的存在，使得高温时面板除了空气的热传导、对流换热以外，主要通过热辐射的方式向缝隙底部传递热量，比周围的隔热毡传热快得多，致使缝隙底部的温度比其它部位底部温度高得多，产生了缝隙辐射热短路问题。缝隙辐射热短路中，缝隙底部属于高温区，远离缝隙的对称面属于低温区，因此可以考虑在TPS底部高低温区间加入散热片，使得缝隙底部过高的热流分散至低温区，进而改善缝隙热短路问题。

文献[4]研究了缝隙宽度及辐射率对热短路的影响。为了进一步探索散热片对于此种热短路问题的改善效果，本文对文献[4]中相同的2维模型及载荷情况进行了复现，并固定取板间缝隙为3mm，模型中未考虑各处的支架及连接件，然后在此种TPS中加入热流控制结构。TPS二维模型如图6所示。

图6 研究缝隙热短路的TPS二维模型Fig.6 2-D TPSmodel for researching thermal short-circuit

3.2 计算结果与分析

由于TPS中的空气层很薄，数值传热分析时可忽略缝隙中空气的对流换热，面板顶部施加热载荷，两边对称面为绝热边界。温度响应计算结果如图7。

图7 二维TPS模型中机体蒙皮温度响应Fig.7 Temperature response of body skin in the 2-D TPSmodel

图7（a）中X为从缝隙正下方的机体至模型对称面无量纲化距离。结果显示，缝隙正下方毡垫温度较机体蒙皮其它位置上升快，且最高温度值也高出150.41K，而机体蒙皮各处温度基本一致。这是未考虑实际结构中毡垫处短支架的计算结果，事实上，毡垫处支架热短路会导致缝隙正下方机体蒙皮温度显著增加，由此可以看出缝隙辐射传热导致的热短路问题比较严重。在加入散热片后，图7（b）显示缝隙底部隔热毡最高温度降低了67.97K，缝隙热短路带来的局部温度过高问题得到了一定改善。图8为有、无散热片时温度场对比，从中也可直观地看出散热片对TPS底部温度场的改善——中央缝隙底部温度降低，两侧温度有所升高，机体表面温度分布更加均衡。

图8 散热片对TPS中温度场的影响Fig.8 Difference of temperatur efieldsin TPS madeby cooling fins

4 热流控制结构的应用

本文算例中的散热片厚度为2mm，热传导系数在100～150W/(m·K)之间，由于散热片位于隔热毡底部，对材料耐热性能要求不高，力学性能要求也不高，只需具有一定刚度保形即可。热流控制结构的主要功能是控制热流流向，从而控制热量分布。材料热传导系数越高越好，尤其是轻质高导热复材很适合作散热片选材。例如，高模量碳纤维具有超过0.966×106Mpa的刚度，它的热传导系数为铜的3倍以上，约为1 298W/(m·K)[14]；一种全新的导热散热材料制成的石墨散热片，平面内具有150～1 500W/(m·K)范围内的超高导热性能[15]。倘若采用热传导系数超过1 000W/(m·K)的低密度复合材料，算例中的散热片厚度可降至0.3mm以下仍具有同样的散热效率，此时散热片质量也会大幅降低。

散热片并不局限于在本文被动热防护系统中的应用，对于流体介质冷循环热管一类的主动热防护系统也有应用价值。虽然热管材料通常使用温度更高，不存在热管局部烧坏问题，但对于需冷却的局部高温热

源，散热片可以提前将温度均匀化，以增加热管与高温热源的换热时间，提高冷却效率，因此热流控制的思路也可用于主动热防护系统的优化设计。

5 结束语

空天飞行器TPS中的支架及缝隙会产生热短路问题，导致TPS下方的机体蒙皮局部温度过高，蒙皮存在局部烧坏的危险。本文利用有限元软件ABAQUS对热短路导致机体局部温度过高的情形进行了热分析，结果表明：通过热流控制结构合理设计TPS内部的热流走向，可以使热短路问题得以优化，避免机体蒙皮的局部烧坏；轻质高导热复合材料做成的散热片将使热流控制结构效率更高，适合在空天飞行器上应用。

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