陶瓷防热瓦热控性能分析及参数影响研究

2020-06-03施剑玮高代阳

机械设计与制造工程 2020年4期

施剑玮，黄杰，高代阳

(1.上海飞机设计研究院，上海 201210)(2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏南京 210016)(3.南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏南京 210016)

高超声速是未来航空航天技术发展的重要方向，多个国家已经展开了高超声速飞行器如航天飞机、X-37B空天飞机及X-51A巡航导弹等的研制。相较于亚声速和超声速流动,高超声速流动最明显的特征是其受到飞行器头部强烈的压缩和壁面的滞止作用，激波层和边界层内的气体温度急剧上升，向飞行器蒙皮传递巨大的热量，形成了气动加热效应[1-2]。

为了保证飞行器蒙皮等承力结构的温度在可承受范围内，通常需要在蒙皮外表面设计热防护系统。陶瓷防热瓦作为应用最广泛的隔热材料，一般是通过应变隔离垫(SIP)粘接于飞行器蒙皮(机体结构)上。目前已有一些学者通过试验和数值方法研究了陶瓷防热瓦的热控性能[3-8]，其目的是保证防热瓦自身及蒙皮的最高温度在材料容许温度范围内，确保热防护系统和高超声速飞行器的安全。但是对热防护系统的热控分析仅能校核其安全性，无法指导热防护系统的设计，而热防护系统的设计需要对其进行参数影响研究。

本文采用有限元数值法进行了防热瓦热控性能分析，在此基础上研究了涂层发射率、防热瓦热导率、防热瓦比热容、防热瓦厚度及防热瓦密度对防热瓦热控性能的影响，获得了能直接用于指导工程设计的结论。

1 防热瓦热控性能分析

本文进行了陶瓷热防护系统的二维热控性能分析，图1给出了其分析模型和边界条件。分析模型由防热瓦、SIP和机体构成，防热瓦外表面受到均匀的外部热流Q的作用，外部热流Q的时间历程如图2所示。此外防热瓦外表面涂有高发射率(发射率为0.8)的涂层，可将大量的热量辐射到空间环境中去，辐射热流密度Qrad为：

图1 陶瓷热防护系统分析模型

(1)

式中：ε为涂层发射率；Tw为壁面温度；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为5.67×10-8W/(m2·K4)。表1列出了分析模型各部分的厚度(h)、热导率(k)、比热容(c)和密度(ρ)。图1中标注的点1,2和3分别为防热瓦、SIP和机体上表面温度计算结果的提取点。

图2 外部热流的时间历程

表1 各部件的厚度和材料参数

运用有限元数值法进行了模型的热控性能分析，图3给出了点1,2和3的温度T的时间历程。由图可以看出，防热瓦外表面温度一开始急剧上升，在1 100 s时达到最高温度1 482.53 K，随后急剧下降，2 000 s后趋于平缓。防热瓦最高温度时刻与图2中的热流峰值时刻相同，这说明防热瓦外表面的温度直接受外部热流变化的影响。此外由于SIP的厚度很小，因此SIP和机体的最高温度相差也很小，其分别为424.98 K和424.39 K。SIP在机体的上层，这也造成机体上表面的温升略滞后于SIP。

图3 点1,2和3的温度时间历程

图4给出了防热瓦、SIP和机体在最高温度时刻的结构温度云图。从图可知，外部热流过峰值点后防热瓦上部的温度逐渐降低，且热量逐渐向下传递，导致SIP和机体温度逐渐升高。此外温度场仅沿厚度方向有变化，沿防热瓦宽度方向温度梯度为零，这是因为本文不考虑防热瓦之间的缝隙效应，故分析模型本质上是一维的。

图4 不同时刻的温度场分布

2 防热瓦参数对其表面温度影响研究

在热控性能分析的基础上,本文进行了涂层发射率、防热瓦热导率、防热瓦比热容、防热瓦厚度及防热瓦密度等防热瓦参数对其表面温度影响的研究，这对工程设计具有重要意义。

2.1 涂层发射率的影响

图5给出了防热瓦外表面涂层发射率对各部件最高温度及其时刻的影响。由图可知，涂层发射率从0.4增加到0.9，防热瓦最高温度从1 762.130 K降至1 439.630 K，SIP最高温度从463.174 K降至419.263 K，机体最高温度从462.635 K降至418.667 K，防热瓦、SIP和机体最高温度分别下降了18.30%、9.48%和9.50%。由此可见，增加涂层发射率可将更多的热量辐射到大气环境中去，能明显提高系统的热控性能。此外防热瓦最高温度时刻始终保持在1 100 s，这是因为防热瓦最高温度时刻是由外部热流峰值时刻决定的，而SIP最高温度时刻从5 330 s提前至4 870 s，机体最高温度时刻从5 700 s提前至5 240 s。

图5 涂层发射率对热控性能的影响

2.2 防热瓦热导率的影响

图6给出了防热瓦热导率对各部件最高温度及其时刻的影响。由图可知，防热瓦热导率从0.03W/(m·K)增加到0.33 W/(m·K)，防热瓦最高温度变化很小，SIP最高温度从424.976 K升至1 085.330 K，机体最高温度从424.388 K升至1 035.470 K，SIP和机体最高温度分别上升了155.39%和143.99%。由此可见，增加防热瓦热导率可将更多的热量向下传递，从而大大提高了SIP和机体的最高温度，这对防热极为不利。此外防热瓦最高温度时刻始终保持在1 100 s，而SIP最高温度时刻却从4 940 s提前至1 720 s，机体最高温度时刻从5 310 s提前至2 010 s。值得注意的是,随着防热瓦热导率的增加，SIP和机体最高温度及其时刻的变化率呈逐渐减小的趋势。

图6 防热瓦热导率对热控性能的影响

2.3 防热瓦比热容的影响

图7给出了防热瓦比热容对各部件最高温度及其时刻的影响。由图可知，防热瓦比热容从700 J/(kg·K)增加到1 200 J/(kg·K)，防热瓦最高温度变化很小，SIP最高温度从446.482 K降至414.008 K，机体最高温度从445.409 K降至413.578 K，SIP和机体最高温度分别下降了7.27%和7.15%。这是因为增加防热瓦比热容本质上是增强了防热瓦自身的储能特性，在输入能量一定的情况下，比热容越大，升高相同温度时防热瓦存储的热量就越多，这样传递到SIP和机体的热量就越少，SIP和机体的温度必然会降低。此外防热瓦最高温度时刻始终保持在1 100 s，而SIP最高温度时刻从4 000 s延迟至5 530 s，机体最高温度时刻从4 380 s延迟至5 880 s。

图7 防热瓦比热容对热控性能的影响

2.4 防热瓦密度的影响

图8给出了防热瓦密度对各部件最高温度及其时刻的影响。由图可知，防热瓦密度从150 kg/m3增加到400 kg/m3，防热瓦最高温度变化很小，SIP最高温度从455.590 K降至397.177 K，机体最高温度从454.204 K降至396.919 K，SIP和机体最高温度分别下降了12.82%和12.61%。这是因为增加防热瓦密度本质上是减小了防热瓦的扩散率k/(ρ·c)，减弱了其热量向下传递的能力，从而降低了SIP和机体的温度。防热瓦最高温度时刻始终保持在1 100 s，而SIP最高温度时刻从3 660 s延迟至6 630 s，机体最高温度时刻从4 060 s延迟至6 970 s。尽管增加防热瓦密度能提高其防热性能，但是防热瓦质量也将增加。

图8 防热瓦密度对热控性能的影响

2.5 防热瓦厚度的影响

图9给出了防热瓦厚度对各部件最高温度及其时刻的影响。由图可知，防热瓦厚度从34 mm增加到54 mm，防热瓦最高温度无变化，SIP最高温度从468.528 K降至384.942 K，机体最高温度从467.116 K降至384.725 K，SIP和机体最高温度分别下降了17.84%和17.64%。增加防热瓦厚度同样也增强了防热瓦自身的储能特性，从而使到达SIP和机体的热量减少，降低了其温度。此外防热瓦最高温度时刻始终保持在1 100 s，而SIP最高温度时刻从3 800 s延迟至6 820 s，机体最高温度时刻从4 190 s延迟至7 170 s。尽管增加防热瓦厚度能提高其防热性能，但是防热瓦质量也将增加。