[發(fā)明專利]一種空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)快速分析與設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610027326.2
• 申請日: 2016-01-13
• 公開（公告）號: CN106971015B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李洪雙;馬遠(yuǎn)卓;許青
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15;G06F119/08
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一種空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)快速分析與設(shè)計方法，包括三個主要模塊，即：一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)計算模塊、熱防護(hù)系統(tǒng)厚度優(yōu)化模塊、熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁節(jié)點坐標(biāo)確定及結(jié)構(gòu)總重計算模塊，以及一個熱防護(hù)系統(tǒng)分析與設(shè)計程序結(jié)構(gòu)說明模塊。該方法在一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)計算過程中突出了熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計的快速性特點，其高效、準(zhǔn)確的厚度優(yōu)化過程以及詳細(xì)的熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁節(jié)點坐標(biāo)確定及結(jié)構(gòu)總重計算過程為非專業(yè)人士進(jìn)行飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)分析與設(shè)計提供了便利的工具。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)分析與設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及一種基于有限差分法的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析和熱防護(hù)系統(tǒng)尺寸優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

空天飛行器在服役環(huán)境中受嚴(yán)重的氣動加熱作用，表面氣動加熱產(chǎn)生的高溫，以及在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起的熱應(yīng)力嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。為應(yīng)對結(jié)構(gòu)高溫及熱應(yīng)力作用，在空天飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需大量采用耐高溫的熱結(jié)構(gòu)及熱防護(hù)系統(tǒng)(Thermal ProtectionSystem，TPS)。TPS由隔熱層、防熱層以及承力結(jié)構(gòu)三部分構(gòu)成。這些結(jié)構(gòu)在飛機(jī)服役過程中受氣動力、氣動熱、慣性力、振動和噪聲等復(fù)雜載荷及環(huán)境綜合作用，要進(jìn)行這類受熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，常規(guī)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法已不能滿足要求，需要制定針對這類結(jié)構(gòu)特點的結(jié)構(gòu)設(shè)計頂層文件。

國內(nèi)外針對TPS的關(guān)鍵技術(shù)都做了大量的研究。國外從上世紀(jì)五、六十年代起，對氣動加熱的計算方法做了大量理論性研究，目前主要集中在使用熱防護(hù)的結(jié)構(gòu)形式的工藝、材料和試驗的研究。Martin等通過隱式一維有限元模型比較了10種不同的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，在可重復(fù)使用飛行器再入過程中一系列氣動熱載荷下的比較分析，得出防熱氈式結(jié)構(gòu)在絕大多數(shù)使用范圍內(nèi)都有最輕的重量，陶瓷防熱瓦和金屬TPS具有相近的重量。Daryabeigi分析了熱力耦合分析的適用范圍，得出了耦合分析的重要性隨溫度的降低、載荷速率的增加和內(nèi)部耗散的增加而增加。國內(nèi)研究內(nèi)容主要集中于氣動熱的計算、氣動外形設(shè)計和具體防熱結(jié)構(gòu)的研究，很少有對新型空天飛行器方案的設(shè)計研究和新型的防熱結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計。魏鑫、馬忠輝通過對幾種被動熱防護(hù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析計算，給出了不同熱防護(hù)形式的防熱效果比較結(jié)果。在熱防護(hù)機(jī)理研究方面，閆長海提出了隔熱效率的概念，馬玉娥推導(dǎo)了熱力耦合的計算格式。由于流場與傳熱的模型計算量大，所以多數(shù)采用一維和二維模型，如尹凱軍對防熱瓦式熱防護(hù)系統(tǒng)的研究；趙玲對蓋板式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的建模分析，李凰立、蘇大亮采用簡化的二維模型計算了熱流密度、溫度場和熱應(yīng)力。實際的熱防護(hù)問題中，熱載荷除了向結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳遞外，由于飛行器不同部位熱載荷的巨大差異，橫向的熱載荷傳遞也十分重要。因此在復(fù)雜的熱載荷或主動冷卻條件下，三維的模型能夠更真實的反映熱載荷和機(jī)械載荷的傳遞和分布。對于熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計過程，三維分析十分必要。

然而，在空天飛行器設(shè)計概念設(shè)計階段需突出快速性要求，作為空天飛行器設(shè)計模塊中重要的一部分，快速分析設(shè)計也是熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計需研究的重點。針對飛行器整機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)快速設(shè)計國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。Engel和Praharaj采用經(jīng)過驗證的工程方法計算飛行器表面特征點的熱流密度，結(jié)合這些特征點熱防護(hù)材料的一維溫度響應(yīng)，實現(xiàn)了對熱防護(hù)系統(tǒng)的快速設(shè)計；并開發(fā)了相應(yīng)的軟件平臺。為了滿足航天飛行器概念設(shè)計階段TPS設(shè)計和分析能力McGuire、Chen、Bradford、Coward等基于氣動力/氣動熱分析和熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計/優(yōu)化兩個模塊，發(fā)展了TPSsizer、HYAAT、Sentry、TCAT等熱防護(hù)系統(tǒng)自動設(shè)計工具。但上述方法存在不能實現(xiàn)熱防護(hù)系統(tǒng)方案選擇自動化、需要使用其他軟件進(jìn)行分析等不足。國內(nèi)目前主要是通過數(shù)值方法對特定TPS進(jìn)行分析設(shè)計，還沒有針對飛行器整機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計的成熟工具軟件和方法。

發(fā)明內(nèi)容：