热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究

第24卷第5期宇航学报2003年9月Journal of AstronauticsSeptember热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究马忠辉,孙秦1,王小军2,杨勇(1.西北工业大学飞机系,西安710072;2.北京宇航系统工程研究所,北京100076)摘要:由外部高温合金壳板及內部多层隔热结构组成的金属热防护系统被认为将在未来重复使用运载器上大面积采用。分析了多层隔热结构內导热与辐射的复合换热问题。采用二热流近似方法分析了纤维席内的辐射热流。分析了多孔介质纤维席內气体、固体有效导热系数。并应用有限差分法建立了多层隔热结构瞬态传热数值分析模型。反射屏层数、发射率及纤维席厚度、密度是多层隔热结构重要的设计参数。详细的分析了这些参数对多层隔热结构隔热性能的影响,总结了提高多层隔热结构隔热性能的方法关键词:重复使用运载器;热防护系统;温度场;多层隔热结构中图分类号:V45文献标识码:A文章编号:1000-1328(2003)05-0543-04维的固体导热、气体导热、气体在纤维空间的自然对0引言流换热,及反射屏之间有纤维隔热席参与的辐射换重复使用运载器(RLV)热防护系统(TPS)的作热。由于自然对流换热量很小,本文研究中忽略气体用是在上升/再入气动加热过程中确保内部结构在的自然对流换热。在上升/再入过程中防热结构经受使用温度范围内。经过几十年的研究,金属热防护系巨大的气动加热,在与反射屏及纤维席平行方向上统有很大的发展,被认为是未来重复使用运载器最的一定范围内的温度变化不大,热流主要由外向内重要的热防护系统·。金属热防护系统外部是髙温传递,故可将多层隔热结构内传热简化为无热源的合金壳板,内部为不承载的高温多层隔热结构。多层一维非稳态传热过程。对于多孔体的传热,孔隙里的隔热结构由多层隔热材料和屏蔽材料相间组成,是辐射传热将产生作用,由于导热的计算形式比简单,种由纤维席隔开的多层反射屏蔽轻质隔热系统,习惯上把辐射传热看成是附加的影响,则纤维席内具有良好的隔热性能。多层隔热结构设计中涉及到有介质参与的辐射换热和导热的复合传热的能量控的参数很多,仅靠实验很难完成,国外对多层隔热结制方程为构数值分析研究一直很重视,建立了一些数值分析模型,并对多层隔热结构的优化设计进行了探oc/=dk/-a(1)讨。多层隔热结构按反射屏的不同可分为两种类型:初始及边界条件为类是由金属箔构成的反射屏,多用于高温情况;另T(x,0)=类由金属镀膜构成反射屏,常用于中、低温范T(0,t)=T1(t)围。目前国内关于多层隔热结构性能的研究多集T(L,t)=T2(t)或k中于后者。重复使用运载器热防护系统中的多层隔热结构属于第一类,本文将在借鉴前人研究成果基式中T为温度,P为有效密度,k为有效热传导系础上,在重复使用运载器热防护系统高温多层隔热数,c为有效比热,t为时间,L为纤维席厚度,q〃为结构传热数值分析方法及性能分析方面进行研究。辐H中国煤化工平行壁面内有放射和吸1TPS多层隔热结构传热机理及数值分析模型收CNMHG题。当介质光学厚度(介质特征尺度与光子平均行程的长度的比值)远大于高温多层隔热结构内存在多种形式的传热:纤1时,可以应用罗斯兰德近似式进行分析,文献[6],收稿日期教据20,修回日期:200716544[7]采用这样的分析方法。当介质光学厚度很小时忽略介质对其自身放射辐射的吸收,在这种情况下对于不同的介质层辐射换热的过程是一样的,与其式中k;为纤维席母体材料的导热系数,f为固体部位置无关,而且介质中的温度也与位置无关。但在分所占比率。在研究热流在不同介质内传递的宏观进行多层隔热结构优化设计时介质的光学厚度并不特性时,多种经验及统计方法被采用以分析局部的已知,因此本文应用适合于任何光学厚度的二热流体积平均特性,本文采用并联模型分析纤维席有效热传导系数:近似方法进行分析4,辐射热流梯度为fk,+(1-f)k(10)ar/(1-a)(G- 4or)方程(1)到(10)建立了多层隔热结构传热模型,由此式中B为光子平均行程长度的倒数,G为纤维席内可以利用数值分析方法对多层隔热结构瞬态温度响辐射,σ为斯忒藩-波耳兹曼常数。ω为散射的反射应进行建模分析率。假设散射在各个方向上相同,介质为漫灰表面应用有限差分法对控制方程(1)进行离散,采用应用二热流近似方法纤维席辐射热流与内辐射梯全隐式差分格式建立多层隔热结构瞬态传热数值分度有关析模型。多层隔热结构存在相互并列的导热、辐射两1 aq(4)条传热途径。整个分析过程采用统一的离散单元,对每个纤维席内的辐射可以通过解如下二阶微分方程结构的单元离散综合考虑了这两个分析过程的特获得点。多层隔热结构瞬态传热分析涉及到求解纤维席2aG内辐射热流,本文应用有限差分法建立相对独立的3(1+G=401(5)纤维席内辐射一维数值分析模型,在每个时间层上在纤维席边界处遵循如下边界条件分别计算各个纤维席内辐射热流。+G=401(6)2多层隔热结构性能分析多层隔热结构设计涉及到很多几何、物理性能d+G=401(7)参数,各参数对隔热性能的影响是指导设计的关键本节将对几个主要的参数进行分析。本节分析模型式中c为纤维席两侧反射屏或边界结构发射率,下用纤维席为密度8kg/m的纯多晶氧化铝纤维,标i、i+1表示纤维席热冷两侧的边界纤维粗3m。纤维席上下边界结构及反射屏均为高多层隔热结构中同时存在气体导热与固体导温合金GH99,反射屏厚0.04mm,边界结构厚热,控制方程(1)中k为有效热传导系数。在中等压Imm,内边界绝热,外部热边界温度及环境气压模力条件下气体导热系数不随气压改变,但在气体分拟典型再入环境的热边界温度及大气压,如图1、子平均自由程与孔隙尺寸可以比较的区域,气体分2所示。子与边界固体表面的传热受到环境气压的影响,将温度阶跃理论应用于稀薄气流传热,获得多孔介质内气体导热系数为712001+2中国煤化工式中k为大气压下气依赖于温度的气体导热系CNMHG数,α为适应系数,为气体比热比,p,为普朗特数,05001000150020002500λn为分子平均自由程,为特征尺度。用理论方法时间(s)分析通过纤维及它们之间接触点的固体导热非常困1上边界温度时间变化曲线难,本文具定应用经验的近似公式进行分boundary temperature析第5期马忠辉等:热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究1000厘米的厚度内放2到3个反射屏,而且据分析目前能够达到的最小厚度为2mm4。本节分析结论适用于热防护系统多层隔热结构的设计0.01IE-305001000150020002500时间(s图2气压时间变化曲线Fig. 2 Pressure versus time05001000150020002500时间(s)2.1反射屏层数分析保持多层隔热结构纤维席及反射屏的总厚度图4纤维席厚度不同内部结构温度响应对比76mm不变,依次递增反射屏数,并保持各纤维席厚Fig 4 Comparison of inner structure temperature度相等。图3对比了下边界结构温度响应随反射屏of imi with different fibrous thickness增加的变化特点,随着反射屏数的增加内部结构温2.3纤维席密度分析度逐渐降低。这与文献[3]中通过增加反射屏层数降多层隔热结构总厚76mm,含有均匀布置的9低内部结构温度的道理一致。图3显示每增加一个层反射屏,保持其它参数不变逐渐增加纤维席密反射屏使内部结构峰值温度降低的幅度随多层隔热度。图5对比分析了维席密度为由6kg/m3增至结构内反射屏数量的增多而减小。这说明新增反射6kg/m3过程中多层隔热结构内边界结构温度响应屏的效率随反射屏数目的增多而降低变化。随着密度的增大内边界结构温度上升时间推后,峰值温度减小。纤维席密度增加使纤维席中纤维1000母体材料的比率增加,加大了等温等压条件下纤维席有效热传导系数,但同时纤维席密度增加减弱了纤维席内部辐射,两者对隔热性能的影响刚好相反,从分析结果可以看出,纤维席密度的增加从整体上提高了多层隔热结构的隔热性能。纤维席密度不可200能太大,密度的增加将会增加整个结构的质量,因此05001000150020002500在优化设计中 Keller首先增加靠近热边界的纤维时间(s)席的密度,提高结构的隔热性能图3反射屏层数不同内边界结构温度响应Fig 3 Comparison of inner structure temperatureof imi with different foil number2.2纤维席厚度分析保持多层隔热结构内5层反射屏不变,逐渐等量增加各反射屏间纤维席厚度,从图4的对比可以中国煤化工看岀随着纤维席厚度的增加內部边界结构峰值温度CNMHG0150020002500逐渐减小。纤维席增厚会减弱反射屏对辐射换热的时间(s热阻,但同时增强纤维席的隔热作用,本节分析了纤维席厚度在0.5mm至18mm范围的变化特征,在图5不同纤维席密度内部结构温度响应对比这一范围府娉勰糖维席厚度会提高整个结构的隔热of IMI with different fibrous density性能。国外热防护系统高温多层隔热结构通常在每2.4反射屏发射率分析Systems for the reusable launch vehicle, nasa technic反射屏和纤维席总厚76mm,在纤维席间均匀10296,1996插入9层反射屏,边界结构及反射屏具有相同的发2]1hnT.Dey,calC.Pote, Metallic Thermal ProtectieTechnology Development: Concept, Requirements and射率。对比分析反射屏发射率由0.02增至0.05过Assessment Overview, AlAA 2002-0502程中内边界结构温度响应的变化特点发现,随着的3] Keller K, Hoffmann M., Corner w and blumenberg发射率的增大内边界结构峰值温度逐渐上升。反射Application of High Te屏发射率对多层隔热结构隔热性能的影响主要通过Acta Astronautica, 1992 26(6):451-458发射率对反射屏辐射换热的影响,虽然反射屏表面4 amran Daryabeigi. Thermal Analysis and Design of Multilayer Insulation for Re-entry Aerodynamic Heating. AIAA的辐射换热受到纤维席性能的影响,本节分析说明应用发射率较低的反射屏会提高多层隔热结构的隔[5]闵桂荣郭舜航天器热控制北京科学出版社,19热性能。[6] Alan D. Sullins, Kamran Daryabeigi. Effective ThermaConductivity of high Porosity Open Cell Nickel Foam. AIAA3结论2001-2819本文分析了重复使用运载器热防护系统高温多[7 Kamran Daryabeigi. Analysis and Testing of HighTemperature Fibrous Insulation for Reusable Launch层隔热结构内导热与辐射换热的复合传热问题.应Vehicles. AIAA 99-1044用有限差分法建立了多层隔热结构瞬态传热数值分〔8]E.R,G.埃克特,R.M.德雷克,航青译.传热与传质分析.北析模型,并详细的分析了多层隔热设计中几个主要京:科学出版社,1986参数对隔热性能的影响。多层隔热结构性能研究与优化设计是实现未来重复使用运载器防热-结构体化设优化设计的关键。实现多层隔热结构的优化设计需要大量的数值分析与实验验证相结合Q作者简介:马忠辉(1977-),女,博士研究生专业:飞行器结构设计;研究方向:重复使用航天运载器热防护系统研究通信地址:北京9200信箱10分箱(100076参考文献:电话: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凵中国煤化工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片芳数据ons(M