熱防護系統多層隔熱結構傳熱分析及性能研究

第24卷第5期宇航學(xué)報2003年9月Journal of AstronauticsSeptember熱防護系統多層隔熱結構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)飛機系,西安710072;2.北京宇航系統工程研究所,北京100076)摘要:由外部高溫合金殼板及內部多層隔熱結構組成的金屬熱防護系統被認為將在未來(lái)重復使用運載器上大面積采用。分析了多層隔熱結構內導熱與輻射的復合換熱問(wèn)題。采用二熱流近似方法分析了纖維席內的輻射熱流。分析了多孔介質(zhì)纖維席內氣體、固體有效導熱系數。并應用有限差分法建立了多層隔熱結構瞬態(tài)傳熱數值分析模型。反射屏層數、發(fā)射率及纖維席厚度、密度是多層隔熱結構重要的設計參數。詳細的分析了這些參數對多層隔熱結構隔熱性能的影響,總結了提高多層隔熱結構隔熱性能的方法關(guān)鍵詞:重復使用運載器;熱防護系統;溫度場(chǎng);多層隔熱結構中圖分類(lèi)號:V45文獻標識碼:A文章編號:1000-1328(2003)05-0543-04維的固體導熱、氣體導熱、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使用運載器(RLV)熱防護系統(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(dòng)加熱過(guò)程中確保內部結構在的自然對流換熱。在上升/再入過(guò)程中防熱結構經(jīng)受使用溫度范圍內。經(jīng)過(guò)幾十年的研究,金屬熱防護系巨大的氣動(dòng)加熱,在與反射屏及纖維席平行方向上統有很大的發(fā)展,被認為是未來(lái)重復使用運載器最的一定范圍內的溫度變化不大,熱流主要由外向內重要的熱防護系統·。金屬熱防護系統外部是髙溫傳遞,故可將多層隔熱結構內傳熱簡(jiǎn)化為無(wú)熱源的合金殼板,內部為不承載的高溫多層隔熱結構。多層一維非穩態(tài)傳熱過(guò)程。對于多孔體的傳熱,孔隙里的隔熱結構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,由于導熱的計算形式比簡(jiǎn)單,種由纖維席隔開(kāi)的多層反射屏蔽輕質(zhì)隔熱系統,習慣上把輻射傳熱看成是附加的影響,則纖維席內具有良好的隔熱性能。多層隔熱結構設計中涉及到有介質(zhì)參與的輻射換熱和導熱的復合傳熱的能量控的參數很多,僅靠實(shí)驗很難完成,國外對多層隔熱結制方程為構數值分析研究一直很重視,建立了一些數值分析模型,并對多層隔熱結構的優(yōu)化設計進(jìn)行了探oc/=dk/-a(1)討。多層隔熱結構按反射屏的不同可分為兩種類(lèi)型:初始及邊界條件為類(lèi)是由金屬箔構成的反射屏,多用于高溫情況;另T(x,0)=類(lèi)由金屬鍍膜構成反射屏,常用于中、低溫范T(0,t)=T1(t)圍。目前國內關(guān)于多層隔熱結構性能的研究多集T(L,t)=T2(t)或k中于后者。重復使用運載器熱防護系統中的多層隔熱結構屬于第一類(lèi),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為有效熱傳導系礎上,在重復使用運載器熱防護系統高溫多層隔熱數,c為有效比熱,t為時(shí)間,L為纖維席厚度,q〃為結構傳熱數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有放射和吸1TPS多層隔熱結構傳熱機理及數值分析模型收CNMHG題。當介質(zhì)光學(xué)厚度(介質(zhì)特征尺度與光子平均行程的長(cháng)度的比值)遠大于高溫多層隔熱結構內存在多種形式的傳熱:纖1時(shí),可以應用羅斯蘭德近似式進(jìn)行分析,文獻[6],收稿日期教據20,修回日期:200716544[7]采用這樣的分析方法。當介質(zhì)光學(xué)厚度很小時(shí)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(guò)程是一樣的,與其式中k;為纖維席母體材料的導熱系數,f為固體部位置無(wú)關(guān),而且介質(zhì)中的溫度也與位置無(wú)關(guān)。但在分所占比率。在研究熱流在不同介質(zhì)內傳遞的宏觀(guān)進(jìn)行多層隔熱結構優(yōu)化設計時(shí)介質(zhì)的光學(xué)厚度并不特性時(shí),多種經(jīng)驗及統計方法被采用以分析局部的已知,因此本文應用適合于任何光學(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系數: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)建立了多層隔熱結構傳熱模型,由此式中B為光子平均行程長(cháng)度的倒數,G為纖維席內可以利用數值分析方法對多層隔熱結構瞬態(tài)溫度響輻射,σ為斯忒藩-波耳茲曼常數。ω為散射的反射應進(jìn)行建模分析率。假設散射在各個(gè)方向上相同,介質(zhì)為漫灰表面應用有限差分法對控制方程(1)進(jìn)行離散,采用應用二熱流近似方法纖維席輻射熱流與內輻射梯全隱式差分格式建立多層隔熱結構瞬態(tài)傳熱數值分度有關(guān)析模型。多層隔熱結構存在相互并列的導熱、輻射兩1 aq(4)條傳熱途徑。整個(gè)分析過(guò)程采用統一的離散單元,對每個(gè)纖維席內的輻射可以通過(guò)解如下二階微分方程結構的單元離散綜合考慮了這兩個(gè)分析過(guò)程的特獲得點(diǎn)。多層隔熱結構瞬態(tài)傳熱分析涉及到求解纖維席2aG內輻射熱流,本文應用有限差分法建立相對獨立的3(1+G=401(5)纖維席內輻射一維數值分析模型,在每個(gè)時(shí)間層上在纖維席邊界處遵循如下邊界條件分別計算各個(gè)纖維席內輻射熱流。+G=401(6)2多層隔熱結構性能分析多層隔熱結構設計涉及到很多幾何、物理性能d+G=401(7)參數,各參數對隔熱性能的影響是指導設計的關(guān)鍵本節將對幾個(gè)主要的參數進(jìn)行分析。本節分析模型式中c為纖維席兩側反射屏或邊界結構發(fā)射率,下用纖維席為密度8kg/m的純多晶氧化鋁纖維,標i、i+1表示纖維席熱冷兩側的邊界纖維粗3m。纖維席上下邊界結構及反射屏均為高多層隔熱結構中同時(shí)存在氣體導熱與固體導溫合金GH99,反射屏厚0.04mm,邊界結構厚熱,控制方程(1)中k為有效熱傳導系數。在中等壓Imm,內邊界絕熱,外部熱邊界溫度及環(huán)境氣壓模力條件下氣體導熱系數不隨氣壓改變,但在氣體分擬典型再入環(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,將溫度階躍理論應用于稀薄氣流傳熱,獲得多孔介質(zhì)內氣體導熱系數為712001+2中國煤化工式中k為大氣壓下氣依賴(lài)于溫度的氣體導熱系CNMHG數,α為適應系數,為氣體比熱比,p,為普朗特數,05001000150020002500λn為分子平均自由程,為特征尺度。用理論方法時(shí)間(s)分析通過(guò)纖維及它們之間接觸點(diǎn)的固體導熱非常困1上邊界溫度時(shí)間變化曲線(xiàn)難,本文具定應用經(jīng)驗的近似公式進(jìn)行分boundary temperature析第5期馬忠輝等:熱防護系統多層隔熱結構傳熱分析及性能研究1000厘米的厚度內放2到3個(gè)反射屏,而且據分析目前能夠達到的最小厚度為2mm4。本節分析結論適用于熱防護系統多層隔熱結構的設計0.01IE-305001000150020002500時(shí)間(s圖2氣壓時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig. 2 Pressure versus time05001000150020002500時(shí)間(s)2.1反射屏層數分析保持多層隔熱結構纖維席及反射屏的總厚度圖4纖維席厚度不同內部結構溫度響應對比76mm不變,依次遞增反射屏數,并保持各纖維席厚Fig 4 Comparison of inner structure temperature度相等。圖3對比了下邊界結構溫度響應隨反射屏of imi with different fibrous thickness增加的變化特點(diǎn),隨著(zhù)反射屏數的增加內部結構溫2.3纖維席密度分析度逐漸降低。這與文獻[3]中通過(guò)增加反射屏層數降多層隔熱結構總厚76mm,含有均勻布置的9低內部結構溫度的道理一致。圖3顯示每增加一個(gè)層反射屏,保持其它參數不變逐漸增加纖維席密反射屏使內部結構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增至結構內反射屏數量的增多而減小。這說(shuō)明新增反射6kg/m3過(guò)程中多層隔熱結構內邊界結構溫度響應屏的效率隨反射屏數目的增多而降低變化。隨著(zhù)密度的增大內邊界結構溫度上升時(shí)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系數,但同時(shí)纖維席密度增加減弱了纖維席內部輻射,兩者對隔熱性能的影響剛好相反,從分析結果可以看出,纖維席密度的增加從整體上提高了多層隔熱結構的隔熱性能。纖維席密度不可200能太大,密度的增加將會(huì )增加整個(gè)結構的質(zhì)量,因此05001000150020002500在優(yōu)化設計中 Keller首先增加靠近熱邊界的纖維時(shí)間(s)席的密度,提高結構的隔熱性能圖3反射屏層數不同內邊界結構溫度響應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構內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(zhù)纖維席厚度的增加內部邊界結構峰值溫度CNMHG0150020002500逐漸減小。纖維席增厚會(huì )減弱反射屏對輻射換熱的時(shí)間(s熱阻,但同時(shí)增強纖維席的隔熱作用,本節分析了纖維席厚度在0.5mm至18mm范圍的變化特征,在圖5不同纖維席密度內部結構溫度響應對比這一范圍府娉勰糖維席厚度會(huì )提高整個(gè)結構的隔熱of IMI with different fibrous density性能。國外熱防護系統高溫多層隔熱結構通常在每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,邊界結構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(guò)Assessment Overview, AlAA 2002-0502程中內邊界結構溫度響應的變化特點(diǎn)發(fā)現,隨著(zhù)的3] Keller K, Hoffmann M., Corner w and blumenberg發(fā)射率的增大內邊界結構峰值溫度逐漸上升。反射Application of High Te屏發(fā)射率對多層隔熱結構隔熱性能的影響主要通過(guò)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,本節分析說(shuō)明應用發(fā)射率較低的反射屏會(huì )提高多層隔熱結構的隔[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結論2001-2819本文分析了重復使用運載器熱防護系統高溫多[7 Kamran Daryabeigi. Analysis and Testing of HighTemperature Fibrous Insulation for Reusable Launch層隔熱結構內導熱與輻射換熱的復合傳熱問(wèn)題.應Vehicles. AIAA 99-1044用有限差分法建立了多層隔熱結構瞬態(tài)傳熱數值分〔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,并詳細的分析了多層隔熱設計中幾個(gè)主要京:科學(xué)出版社,1986參數對隔熱性能的影響。多層隔熱結構性能研究與優(yōu)化設計是實(shí)現未來(lái)重復使用運載器防熱-結構體化設優(yōu)化設計的關(guān)鍵。實(shí)現多層隔熱結構的優(yōu)化設計需要大量的數值分析與實(shí)驗驗證相結合Q作者簡(jiǎn)介:馬忠輝(1977-),女,博士研究生專(zhuān)業(yè):飛行器結構設計;研究方向:重復使用航天運載器熱防護系統研究通信地址:北京9200信箱10分箱(100076參考文獻:電話(huà):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片芳數據ons(M