边界条件对热防护系统隔热性能的影响

李世平 魏广平

摘  要：运用MSC/NASTRAN有限元软件对热防护系统（TPS）小板作为试验件进行了数值仿真，对比分析了不同材质隔热框对试验件底板温度的影响，同时，对TPS底板在自然对流环境和绝热状态进行了比较。结果表明：隔框的的隔热性能越好，对试验件底板温度测试的结果越真实;对TPS底板施加自然对流使得数值仿真结果更加真实。

关键词：热防护系统;边界条件;数值仿真

中图分类号：V411.8        文献标志码：A           文章编号：2095-2945（2019）10-0015-04

Abstract： The finite element software MSC/NASTRAN is used to simulate the（TPS） plate of thermal protection system as the test piece， and the influence of different material insulation frame on the bottom plate temperature of the test piece is compared and analyzed. At the same time， the natural convective environment and adiabatic state of TPS floor are compared. The results show that the better the thermal insulation performance of the partition is， the truer the results of the temperature measurement of the bottom plate of the test piece are， and the truer the natural convection applied to the TPS bottom plate makes the numerical simulation results more real.

Keywords： thermal protection system; boundary conditions; numerical simulation

热防护系统（Thermal Protection Systems，简称TPS），作为高超声速飞行器的主要隔热方式，其隔热性能的好坏直接关系到飞行器研制的成败[1]，而验证热防护系统隔热性能的主要手段为隔热试验[2]，传统的隔热试验主要采用小板作为试验件，在其上表面采用石英灯加热，底面测量温度。通常小板试验件放置在一个隔热框内，使得试验环境尽可能形成一维传热，但是隔热框是无法达到绝热状态。本文对多种材质的隔热框进行对比分析，讨论隔热框边界条件对试验的影响。由于TPS试验是在大气环境中进行的，尽管在试验过程中试验件底面采用玻璃丝棉毡形成空腔，所在温度的升高，空腔内产生自然对流。因此，给试验件底面施加自然对流边界条件。

1 小板试验件及隔框结构描述

以典型的三明治形式模拟小板试验件结构，上部为5mm厚度的氧化硅材料，密度0.374g/cm3，材料比热和传导率物性参数见表1;下部为3mm厚度的铝合金;中部为23mm厚度的气凝胶芯体，密度0.374g/cm3，比热1000J/（kg·K），材料传导率性能见表2。小板尺寸100mm*100mm，结构示意图见图1a，试验支持状态见图1b。

隔框取与试验件厚度一样的隔热材料，密度为0.374g/cm3，材料的比热和传导率物性参数见表3。隔框宽度为50mm（图1c）。

2 计算方法

按照建立的有限元模型，小板上表面施加随时间变化的温度曲线，对计算结果提取图2中小板底面中点（节点编号16756），底面角点（节点编号16976），底面边中点（节点编号16766）三个点的温度结果进行曲线绘制，按照当前模型具有的条件，对3个表中不同的材料作为隔框，加上没有隔框，以及小板底面设置不同的自然对流边界条件共进行了12种工况计算，详细描述边界条件对材料隔热性能的影响。

工况1，TPS厚度方向取绝热边界，底面绝热，无隔框;工况2，TPS厚度方向取绝热边界，底面施加对流边界条件，自然对流系数区5W/m2，无隔框;工况3，TPS厚度方向取绝热边界，底面施加对流边界条件，自然对流系数区10W/m2，无隔框;工况4，底面绝热，有隔框，材料为表1氧化硅;工况5，底面施加对流边界条件，自然对流系数区5W/m2，有隔框，材料为表1氧化硅;工况6，底面施加对流边界条件，自然对流系数区10W/m2，有隔框，材料为表1氧化硅;工况7，底面绝热，有隔框，材料为表2气凝胶;工况8，底面施加对流边界条件，自然对流系数区5W/m2，有隔框，材料为表2气凝胶;工况9，底面施加对流边界条件，自然对流系数区10W/m2，有隔框，材料为表2气凝胶;工况10，底面绝热，有隔框，材料为表3隔框材料;工况11，底面施加对流边界条件，自然对流系数区5W/m2，有隔框，材料为表3隔框材料;工况12，底面施加对流边界条件，自然对流系数区10W/m2，有隔框，材料为表3隔框材料。

3 计算结果

工况1～3的TPS厚度方向取绝热边界，因此各计算完全等价于一维计算模式，图3给出工况1～工况3的TPS底面板时间-温度历程曲线，试验件底面点所有温度相同只是由于底面施加对流条件的不同，底面温度才随之变化，对流系数越大，试验件底面温度越低;图4给出工况4～工况6底面点温度曲线，可与看出，由于隔框材料与试验件上面板材料相同，试验件底面三个点的温度相同，而且温度非常高，说明这种方式完全不可行;图5给出工况8～工况10底面点温度曲线;图6给出工况10～工况12底面点温度曲线，可以看出，隔框材料对试验底面温度有明显的影响，由图5和图6可以看出，底面三个节点的温度曲线已经不再重合，中点温度最高，随着隔框材料隔热效果的增加，底面温度采用试验中所用的隔热材料（表3），所有工况的底面温度曲线局势一致，由于工况4～工况6围框为面板材料，无法起到隔热效果，所以去除，画出其余工况底面中心温度最终时刻（100s）的比较图（见图7）。

4 结束语

TPS底面增加自然对流边界条件，使得TPS底面温度降低，并且，随着对流系数的增大，TPS底面减小;TPS底面绝热为最严酷的情况，此时，TPS底面最高;隔框的存在对TPS计算结果较之绝热边界TPS底面偏高，同时导致TPS底面温度不均匀，底面中心位置温度最高，底面边界中点次之，底面角点温度最低。两种隔热材料作为隔框其计算结果完全一致，虽然两种隔热材料的热传导率略有差别，说明小板试验置于隔框内进行试验。

参考文献：

[1]马忠辉，孙秦，王小军，等.RLV陶瓷热防护系统热分析模型研究[J].导弹与航天运载技术，2003（3）：19-24.

[2]苏大亮，郑晓亚，张铎.飞行器头部热防护系统热分析[J].弹箭与制导学报，2006（1）：725-727.

[3]Bradford， J.E， Olds， J.R.Thermal Protection System Sizing and Selection for RLVs Using  the  Sentry  Code. AIAA-2006-4605.

[4] David E. Glass. Ceramic Matrix Composite （CMC） Thermal Protection Systems （TPS） and Hot Structures for Hypersonic Vehicles.AIAA-2008-2682.

[5]秦強，成竹，任青梅，等.温度对刚性陶瓷防热瓦隔热性能的影响[J].导弹与航天运载技术，2010（4）：58-61.

[6]郭朝邦，李文杰.高超声速飞行器结构材料与热防护系统[J].飞航导弹，2010（4）：88-94.

[7]张钰.结构热实验技术[M].北京：宇航出版社，1993.