运载火箭尾段防热/承载一体化热防护系统设计及性能分析
发布时间：2021-07-25 17:34
先进热防护技术是可重复使用运载火箭研制的关键技术之一,具有高结构效率的防热/承载一体化热防护系统是运载火箭极具潜力的备选热防护方案。本文系统地总结了可重复使用运载火箭尾舱段防热和承载两方面的设计要求,设计了一种全复合材料防隔热/承载一体化热防护系统。开展了运载火箭尾段一体化热防护系统设计,进行了代表性单胞结构的高温环境地面试验,揭示了复合材料一体化热防护系统的防隔热机理。同时施加力学和热流载荷,利用有限元方法对运载火箭尾段进行了热力耦合分析,获得了尾段结构的温度场、应变场和应力场。结果表明:在典型载荷工况下一体化热防护系统内壁温度保持在89.2℃以下,内部最大应力不超过9.53 MPa,安全系数达到1.89。
【文章来源】：上海航天(中英文). 2020,37(04)CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
助推器尾段热流密度随时间的变化曲线
由于运载火箭筒壁为薄壁圆柱构型，在进行一体化热防护系统设计时，需要设计出曲面单胞结构。由于波纹夹芯三明治结构具有制备工艺简单、可形成大尺寸组件、承载性能优异、刚度性能良好等优点，本文选用全复合材料波纹夹芯三明治结构作为防热/承载一体化热防护系统的单胞结构，开展波纹夹芯热结构在运载火箭尾段的应用研究，并对尾段热防护系统的热力耦合性能进行表征。经分析表明，虽然曲面波纹夹芯结构的设计参数众多，但独立设计参量仅有7个，其他设计参数都可以通过这7个独立参数推导获得。曲面波纹夹芯结构的单胞结构示意图如图2所示。由图可见，单胞结构的7个基本结构尺寸参数分别为半径R、单胞厚度L、圆心角φ、上面板厚度dT、腹板厚度dW、下面板厚度dB、腹板倾角θ。为了确定这7个基本参数，需要根据本文运载火箭尾段设计要求，从防热、隔热、承载3个方面分别建立数值分析模型，改变其中某个参数的数值，考查该参数对整体结构的综合性能的影响。本文分别开展了曲面单胞结构的传热分析和屈曲分析，考查了7个基本参数对防隔热和承载性能的影响。传热分析结果表明：上面板厚度对结构的隔热性能影响很小；而腹板厚度对结构的隔热性能影响较大，这是由于腹板的“热短路”效应造成的；下面板厚度的增加能降低一体化热结构背面温度峰值，但会显著增加结构的质量；热结构厚度的增加能有效降低下面板温度峰值，但会增加结构质量。屈曲分析结果表明：上面板厚度对结构的屈曲特性影响较大，这是因为上面板最易发生屈曲；单胞宽度的增加会增大上面板未支撑区域面积，结构的屈曲特征值降低。根据传热分析和屈曲分析，对曲面单胞结构进行优化设计，获得满足防热和承载两方面要求的最优结构尺寸参数，并结合运载火箭尾段的结构特点，考虑制备工艺的简便性，确定出运载火箭尾段曲面单胞结构的基本尺寸参数，见表2。
另外，圆筒下端为一层2 mm厚的环形石英/酚醛板，将整个结构封闭起来。基于波纹夹芯热结构设计的火箭助推器尾段结构/热防护系统的几何模型如图3所示。2 单胞结构的高温环境实验
【参考文献】：
期刊论文
[1]舱段结构热振耦合环境下仿真分析[J]. 王金明,翟师慧. 上海航天(中英文). 2020(03)
[2]复燃对液体火箭返回阶段底部热环境的影响[J]. 李志鹏,包轶颖,孙培杰,王平阳. 上海航天(中英文). 2020(01)
[3]耐高温气凝胶隔热材料研究进展[J]. 锁浩,王伟,江胜君,崔升,沈晓冬,朱小飞,吴晓栋. 上海航天. 2019(06)
[4]防热承载一体化复合材料电缆罩分析及验证[J]. 李昱霖,安庆升,杨坤好,唐晓峰,刘龙涛. 空天防御. 2019(03)
[5]“猎鹰9”运载火箭海上平台成功回收的分析及启示[J]. 王芳,程洪玮,彭博. 装备学院学报. 2016(06)
[6]垂直起降重复使用运载火箭发展趋势与关键技术研究进展[J]. 徐大富,张哲,吴克,李红兵,林剑锋,张晓东,郭筱曦. 科学通报. 2016(32)
[7]X-37B轨道试验飞行器可重复使用热防护系统综述[J]. 周志勇,马彬,张萃,韩修柱,刘峰,董彦芝. 航天器工程. 2016(04)
[8]新材料、新工艺助力长征七号首飞[J]. KJ.0626. 军民两用技术与产品. 2016(13)
[9]X-43A高超音速飞行器C/C热防护涂层结构分析[J]. 李崇俊. 高科技纤维与应用. 2015(04)
[10]运载火箭尾段底板表面凸起物热响应研究[J]. 吴云峰,熊宴斌,吴俊峰. 强度与环境. 2015(01)
硕士论文
[1]高超声速飞行器热防护系统概念设计与分析方法研究[D]. 许青.南京航空航天大学 2017
[2]组合动力飞行器结构/热防护系统设计技术研究[D]. 戴存喜.西北工业大学 2017
本文编号：3302468
【文章来源】：上海航天(中英文). 2020,37(04)CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
助推器尾段热流密度随时间的变化曲线
由于运载火箭筒壁为薄壁圆柱构型，在进行一体化热防护系统设计时，需要设计出曲面单胞结构。由于波纹夹芯三明治结构具有制备工艺简单、可形成大尺寸组件、承载性能优异、刚度性能良好等优点，本文选用全复合材料波纹夹芯三明治结构作为防热/承载一体化热防护系统的单胞结构，开展波纹夹芯热结构在运载火箭尾段的应用研究，并对尾段热防护系统的热力耦合性能进行表征。经分析表明，虽然曲面波纹夹芯结构的设计参数众多，但独立设计参量仅有7个，其他设计参数都可以通过这7个独立参数推导获得。曲面波纹夹芯结构的单胞结构示意图如图2所示。由图可见，单胞结构的7个基本结构尺寸参数分别为半径R、单胞厚度L、圆心角φ、上面板厚度dT、腹板厚度dW、下面板厚度dB、腹板倾角θ。为了确定这7个基本参数，需要根据本文运载火箭尾段设计要求，从防热、隔热、承载3个方面分别建立数值分析模型，改变其中某个参数的数值，考查该参数对整体结构的综合性能的影响。本文分别开展了曲面单胞结构的传热分析和屈曲分析，考查了7个基本参数对防隔热和承载性能的影响。传热分析结果表明：上面板厚度对结构的隔热性能影响很小；而腹板厚度对结构的隔热性能影响较大，这是由于腹板的“热短路”效应造成的；下面板厚度的增加能降低一体化热结构背面温度峰值，但会显著增加结构的质量；热结构厚度的增加能有效降低下面板温度峰值，但会增加结构质量。屈曲分析结果表明：上面板厚度对结构的屈曲特性影响较大，这是因为上面板最易发生屈曲；单胞宽度的增加会增大上面板未支撑区域面积，结构的屈曲特征值降低。根据传热分析和屈曲分析，对曲面单胞结构进行优化设计，获得满足防热和承载两方面要求的最优结构尺寸参数，并结合运载火箭尾段的结构特点，考虑制备工艺的简便性，确定出运载火箭尾段曲面单胞结构的基本尺寸参数，见表2。
另外，圆筒下端为一层2 mm厚的环形石英/酚醛板，将整个结构封闭起来。基于波纹夹芯热结构设计的火箭助推器尾段结构/热防护系统的几何模型如图3所示。2 单胞结构的高温环境实验
【参考文献】：
期刊论文
[1]舱段结构热振耦合环境下仿真分析[J]. 王金明,翟师慧. 上海航天(中英文). 2020(03)
[2]复燃对液体火箭返回阶段底部热环境的影响[J]. 李志鹏,包轶颖,孙培杰,王平阳. 上海航天(中英文). 2020(01)
[3]耐高温气凝胶隔热材料研究进展[J]. 锁浩,王伟,江胜君,崔升,沈晓冬,朱小飞,吴晓栋. 上海航天. 2019(06)
[4]防热承载一体化复合材料电缆罩分析及验证[J]. 李昱霖,安庆升,杨坤好,唐晓峰,刘龙涛. 空天防御. 2019(03)
[5]“猎鹰9”运载火箭海上平台成功回收的分析及启示[J]. 王芳,程洪玮,彭博. 装备学院学报. 2016(06)
[6]垂直起降重复使用运载火箭发展趋势与关键技术研究进展[J]. 徐大富,张哲,吴克,李红兵,林剑锋,张晓东,郭筱曦. 科学通报. 2016(32)
[7]X-37B轨道试验飞行器可重复使用热防护系统综述[J]. 周志勇,马彬,张萃,韩修柱,刘峰,董彦芝. 航天器工程. 2016(04)
[8]新材料、新工艺助力长征七号首飞[J]. KJ.0626. 军民两用技术与产品. 2016(13)
[9]X-43A高超音速飞行器C/C热防护涂层结构分析[J]. 李崇俊. 高科技纤维与应用. 2015(04)
[10]运载火箭尾段底板表面凸起物热响应研究[J]. 吴云峰,熊宴斌,吴俊峰. 强度与环境. 2015(01)
硕士论文
[1]高超声速飞行器热防护系统概念设计与分析方法研究[D]. 许青.南京航空航天大学 2017
[2]组合动力飞行器结构/热防护系统设计技术研究[D]. 戴存喜.西北工业大学 2017
本文编号：3302468
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