RLV陶瓷熱防護系統熱分析模型研究

馬忠輝等RLⅤ陶瓷熱防護系統熱分析模型研究文章編號:1004-7182(2003)03-0019-06RLV陶瓷熱防護系統熱分析模型研究馬忠輝孫秦王小軍楊勇(西北工業(yè)大學(xué),西安,710072)(北京宇航系統工程設計部,北京,100076)摘要:應用于可重復使用運載器的陶瓷熱防護系統具有多層結構、材料物理性能差異大、外邊界具有輻射、對流換熱等復雜內部結構及外邊界特征,熱分析涉及到復雜的氣動(dòng)熱、溫度場(chǎng)以及應力應變場(chǎng)的耦合分析。瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析是將各種分析過(guò)程耦合于一體的一個(gè)重要的中間環(huán)節,應用非線(xiàn)性全隱式有限差分方法研究陶瓷熱防護系統瞬態(tài)溫度場(chǎng)數值計算方法及細致計算步驟,建立了用于溫度場(chǎng)分析及結構質(zhì)量預測的一維熱分析模型,獲得了可資工程實(shí)踐應用的數值算法體系以及有益的數值計算結論,對于提高熱防護系統結構質(zhì)量旳預測精度及深λ進(jìn)行往返式航天飛行器結構優(yōu)化設計都有較好的理論參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:重復使用運載器;陶瓷;熱防護系統;瞬態(tài)溫度場(chǎng);隱式差分格式;熱分析模型中圖分類(lèi)號:V250.1V435.14文獻標識碼:AThermal model Study of rlv Ceramic Thermal protection SystemMa Zhonghui Sun Qin(Northwestern Polytechnical University, Xi'an, 710072)Wang Xiaojun Yang YongBeijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)Abstract: Analysis of reusable temperature protection system involves flow field analysistemperature field analysis and stress and strain field analysis, in which transient temperature fieldalysis is the key medium procedure that couples all analyses Based on analyzing the characters ofinter structure and outer condition of tps that is laminar and thermal radiative at surface, this paperstudies the application of nonlinear, implicit one-dimensional, transient, difference solution techniqueto predict temperature field through TPS and one-dimensional thermal model, which will be used toanalyze temperature field and predict structure weight. This method will improve the analysisprecision中國煤化工Key Words: Reusable launch vehicle, Ceramic, TheCNMHGnSIent temperaturefield, Implicit finite difference scheme, Thermal model收稿日期痂數據8作者簡(jiǎn)介:馬忠輝(1977-),女,在讀博士生,主要從事飛行器設計研究導彈與航天運載技術(shù)2003年1引言態(tài)溫度場(chǎng)高精度計算分析的目的就在于準確估算使往返于大氣層內外,使航天/空天飛機遭受到大內部冷結構在使用溫度范圍內時(shí)的隔熱層厚度氣層內、外的所有外部環(huán)境的影響,尤其在上升和再涂入階段受到嚴重的氣動(dòng)加熱,因此必須采用熱防護系統(TPS)。航天飛機軌道器的防熱系統質(zhì)量約占防熱瓦軌道器總重的20%,超過(guò)以往任何載人再入飛行器有機膠的比率(水星飛船為1/12,雙子星座飛船為1/7,阿波應變隔高墊冷結構羅登月艙為1/14)先進(jìn)的空天飛機特別是單級入軌空天飛機對結構質(zhì)量要求十分苛刻,有效載重比的高低將直接決定其竟爭力。因此,提高熱防護系統質(zhì)圖剛性陶瓷防熱瓦分析模型量的估算精度,對于減少結構質(zhì)量、實(shí)現熱防護系統優(yōu)化設計、提高運載器有效載重以及經(jīng)濟性等會(huì )起涂層到重要作用。目前,美國等先進(jìn)航天大國都在致力于提高計算流體力學(xué)(CFD)對氣動(dòng)加熱環(huán)境的預測精度,改進(jìn)防熱系統溫度場(chǎng)瞬態(tài)響應分析方法,并將兩柔性隔熱氈個(gè)分析過(guò)程有機耦合在一起,提高熱防護系統質(zhì)量的估算準確度-。本文在借鑒已有的研究成果基有機膠冷結構礎上,探討具有多層結構、變物性,外邊界具有輻射對流換熱等特點(diǎn)的陶瓷防熱系統瞬態(tài)導熱過(guò)程的數圖2柔性隔熱氈分析模型值分析方法,建立應用于溫度場(chǎng)分析及結構質(zhì)量預測的熱分析模型,以期獲得對防熱系統質(zhì)量預測精度的改進(jìn)。外邊界2陶瓷防熱系統數學(xué)分析模型及離散72化處理經(jīng)過(guò)幾十年的研制與應用,國外非金屬防熱系材料2到統已經(jīng)有多代產(chǎn)品問(wèn)世,由最初的剛性陶瓷防熱瓦、柔性隔熱氈發(fā)展到現代結構更為復雜的多層隔熱系統,防熱系統物理性能得到很大改善,但仍保持了基●7材料M本的層狀結構。將真實(shí)結構進(jìn)行簡(jiǎn)化得到的數學(xué)分內邊界析模型如圖1~2所示2。防熱系統整體由不同厚度、物理性能差異顯著(zhù)的數層物質(zhì)疊合而成,基本結構圖3陶瓷防熱結構離散化分析模型由外至內分別為表面涂層、隔熱材料、粘膠以及內部中國煤化工題的數值計算方程,首冷結構。各層物理性能隨防熱系統的不同而改變,隔熱材料可能由多層組成,為保證變形協(xié)調在剛性陶先義HCNMHG,沿熱流傳遞的一維單瓷瓦和內部冷結構之間必要時(shí)應用應變隔離墊。上向坐標方向對模型進(jìn)行單元劃分,如圖3所示。單元升/再入過(guò)程中防熱系統經(jīng)受巨大的氣動(dòng)加熱,在平劃分時(shí)必須在各層交接面處設置計算節點(diǎn),使得層狀結構在一個(gè)單元內具有相同的材料物理性能。根面一定范勇毀據度變化不大,熱流由外向內傳遞故可簡(jiǎn)化為無(wú)熱源的一維非穩態(tài)傳熱過(guò)程進(jìn)行瞬據防熱系統的多層特性以及各層厚度、功能差別較馬忠輝等RLⅤ陶瓷熱防護系統熱分析模型研究大的特點(diǎn),單元的細致劃分分別在各層內進(jìn)行,根據(5)結構特點(diǎn)、溫度分布特征以及計算規模選取恰當的單元尺寸。邊界節點(diǎn)位于氣動(dòng)加熱外表面上,最外層由于單元的劃分甚為細密,故可取T對x成分段線(xiàn)單元的厚度為其它單元的一半,內部各節點(diǎn)都位于性分布。當換熱系數不均勻時(shí),通常利用節點(diǎn)處的換單元的中點(diǎn)?？紤]到內部冷結構具有一定的承熱載熱系數采用調和平均法計算界面處換熱系數,并考能力,它承載能力的大小將影響到防熱系統溫度場(chǎng)慮到兩種介質(zhì)之間存在熱阻,此計算表達式為特點(diǎn),本文將內部冷結構作為最后一層結構位于防=R-1(+-T熱系統的底部,內邊界節點(diǎn)位于冷結構邊界處。3內部熱傳導分析及差分方程建立R1(T+-T+)i=2,4,…,(6)在直角坐標系中無(wú)熱源一維非穩態(tài)導熱問(wèn)題的式中R為熱阻系數取值為控制方程為(7)(1)(2-1)k2k當節點(diǎn)i在邊界上時(shí)1,其余情況下為0;h,為式中p,c,k及T分別為密度、比熱容、熱傳導系數兩介質(zhì)之間的熱阻最終可得一維隱格式的數值離及溫度。散化計算方程為高超音速氣流使防熱系統靠近外邊界區域溫度wc)+(T+-T)△=[R-1(T極高,在整個(gè)時(shí)空研究域內溫度、大氣壓變化劇烈(8)這使得材料的物理性能成為溫度及壓力的函數。結將上式時(shí)間增量Δ規則化,經(jīng)重新整理后即得全隱合物理模型中各單元材料物理性能不同這一特點(diǎn),本文選用熱平衡法對控制方程進(jìn)行離散化處理,建式差分格式的遞推計算公式:立全隱式差分方程。在Δ時(shí)間內傳入控制體△區域R1T+1+()+14+R;1+內的凈熱量等于Δt時(shí)間內Δ區域內物質(zhì)能量的改變,對控制體Δ在t到t+△的時(shí)間內作積分得R-1)T"+1-RT"+1=(c)+1元Tpc=dxdt=2,4,…,N;n=0,1令)?1元+R1+R-1,并將空△oc(T+4-T)dx間離散段寫(xiě)作矩陣形式,最終得:01TT7n+1ax/x+△b考慮到防熱系統的層狀結構特征,取控制體內T及關(guān)于x為階梯式變化,故同一控制單元內pc關(guān)于x均為常數,且分別為計算節點(diǎn)的數值,于是有()2+T2+a1TT)dx中國煤化工CNMH(10)(pc)+(T+4-T)△取對時(shí)間作隱式階躍變化,即在t到t+△時(shí)刻(P)1T+ax+1T3*+1的變化用t+△的數值表征,即為數導彈與航天運載技術(shù)2003年4邊界條件分析換熱系數是表面催化度的函數,如果各TPS結構和高超音速流場(chǎng)中在無(wú)燒蝕的可重復使用熱防護材料的催化度變化很大,CFD必須對高催化度和低系統的外表面發(fā)生化學(xué)反應,防熱系統外表面與流催化度的表面都進(jìn)行計算場(chǎng)發(fā)生能量交換這些構成流場(chǎng)CFD計算的邊界條若已知流體恢復溫度T和對流換熱系數Cr,采件同時(shí)決定了防熱系統的外邊界熱流條件在氣流用熱平衡法在邊界單元建立離散化方程為與TPS邊界處能量平衡方程為[(C1)+1△1+△R11T1+1-△R1T2+1(PC1)+4T+M[Cr(T-T1+1)k t>ipDh(14)(Tm-T)=0(Tm)rm+qm(11)若已知外邊界熱流q=f(t),即第2類(lèi)邊界條件,邊式中k為氣體換熱系數;7為運載器表面法向方界單元離散化方程為向;D為漫射系數;h為熱涵;s為氣體種類(lèi);σ為斯忒(PC1)+141+MR11T+1-△R1T2潘-博爾茲曼常數;ε為壁面黑度;T為壁面溫度(C1)+4T1+q4t-Fu1E1(T1+)4△t(15)qond為換熱熱量?jì)冗吔绻濣c(diǎn)可以通過(guò)輻射或對流換熱向防熱系統外進(jìn)行氣動(dòng)熱分析時(shí),假設qm=0,即TPS與氣傳遞熱量,分析時(shí)假設內邊界為絕熱條件h3/流之間沒(méi)有熱傳導,能量方程簡(jiǎn)化為0,獲得溫度場(chǎng)的保守值,其離散化方程為MRx21Tx1+(c)x1△+△RN21)Tx1T(12))w1△T(16)在分析TPS內部熱傳導時(shí)計算獲得qm,其能量平內部節點(diǎn)及邊界節點(diǎn)離散化方程構成了防熱系衡方程為統換熱問(wèn)題封閉解的數值計算離散化方程組,在C7(Tm-T)=e(T)T2+gm(13)定邊界條件及初始條件下可以獲得防熱系統沿時(shí)間式中Cr為對流換熱系數;T為恢復溫度流變化的溫度場(chǎng)。在分析過(guò)程中將模型中的各層材由于氣動(dòng)熱分析及防熱系統內部熱傳導分析過(guò)料的物理性能編寫(xiě)成單獨模塊,計算各節點(diǎn)的物理程中對q。m處理的不同需要進(jìn)行迭代計算,以獲得性能,由于材料的物理性能為溫度、壓強的函數,節防熱系統導熱分析的外部邊界條件。但在文獻[9]點(diǎn)溫度、壓強一旦改變就需要重新計算在外邊界節中已證明一次選代計算的誤差只有3%左右,因此點(diǎn)離散化方程中存在溫度的4次方項,在計算過(guò)程中在沒(méi)有特殊要求的情況下,可以直接應用壁面輻射將輻射熱量作為常數放在等式右端。用前一時(shí)間段平衡時(shí)的對流換熱系數而無(wú)需進(jìn)行迭代計算。這也的溫度計算各節點(diǎn)的物理性能及壁面的輻射熱量,說(shuō)明在研究防熱系統問(wèn)題時(shí)可以分別從提高氣動(dòng)熱作為初始值代入后一時(shí)間段,獲得后一時(shí)間段各節分析和防熱系統瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析以及結構優(yōu)化兩方點(diǎn)溫度后重新求解各節點(diǎn)物理性能及壁面輻射熱量面予以研究回代入方程,進(jìn)行多次迭代計算,直到兩次計算獲得對流換熱系數是流體流動(dòng)特性和表面特性的函的溫度差在允許誤差范圍內。當防熱系統內某節點(diǎn)數,但對于沒(méi)有燒蝕的表面對流換熱系數對流體特溫度達到其極限溫度時(shí),增加隔熱層厚度重新進(jìn)行性改變的敏感性要比壁面特點(diǎn)改變的敏感性強得分中國煤仁其極限值之內根據各層多對于給定的再入點(diǎn),除非表面特性有巨大的改材CNMHG變,對流傳導系數和恢復溫度幾乎不改變。除非要求進(jìn)行特別精確的計算,在分析瞬態(tài)溫度場(chǎng)及設計和5算例及數值解收斂性分析計算沒(méi)有燒蝕發(fā)生的TPS的質(zhì)量時(shí)對于輻射平衡應用本文分析方法對剛性陶瓷防熱瓦LI2200的壁面對鶇舾數可以直接應用這樣增強了同進(jìn)行了計算分析,外邊界為典型的升力體形式氣動(dòng)飛行條件下各種熱防護系統的可比性。由于對流布局的可重復使用運載器再入階段迎風(fēng)面的熱流條馬忠輝等RLⅤ陶瓷熱防護系統熱分析模型研究件,如圖4所示。內部冷結構為αr-蜂窩結構。溫度變化規律,可以看岀由于對流換熱及內部材料LⅠ220及各層材料幾何及物理性能數據源于文獻極差的導溫性能,外邊界節點(diǎn)溫度很高。通過(guò)數次疊〔7]獲得的熱防護內系統典型位置處溫度變化規律代計算獲得確保內部冷結構在使用溫度范圍內時(shí)所如圖5所示。圖5顯示了外表面和距外表面9mm、18需的防熱瓦厚度,由各種材料的密度計算得出單位mm、27mm及內部冷結構頂端在整個(gè)時(shí)間域內的面積總結構質(zhì)量為1.168kg。1401080外邊界81006040270內部冷結構0500100015002000250005001000150020002500時(shí)間/s時(shí)間/s圖4外表面熱流邊界條件圖5防熱系統節點(diǎn)內溫變化相容性、收皺性和穩定性是數值離散方程計算統熱流降低且材料導溫性能増強,將得到較小壁面的3個(gè)基本數學(xué)要素。對于全隱式差分格式截斷誤溫度(T'"+1)2,若出現(1+1)2