[發明專利]一種仿生多功能熱防護結構及其成形方法

有效

• 申請號: 201910649826.3
• 申請日: 2019-07-18
• 公開（公告）號: CN110329551B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 林開杰;胡凱明;顧冬冬;袁魯豪;王皓冉;楊建凱;李鵬宇;陸秋陽;江濤;田昊東;朱立超
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64G1/58
• 分類號: B64G1/58;B64C1/40;B22F7/04;B33Y10/00;B33Y80/00;B32B3/12;B32B33/00
• 代理公司: 南京業騰知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32321
• 代理人: 鄭婷

本發明公開一種基于SLM成形的仿生多功能熱防護結構，采用SLM技術實現結構的成形，由面板層和功能層組成，其中功能層由管狀結構以及內部微結構組成，相鄰層的管之間保證一定尺寸的交聯，確保結構獲得牢固的連接。本發明是根據仿生學原理，并基于馬尾草微結構特征設計成一種新型的仿生多功能熱防護結構，當結構與氣流發生相互作用時，受到熱載荷和沖擊載荷的雙重作用，在功能層的作用下熱量的傳遞方式發生改變，相比于無微結構的結構而言，隔防熱性能明顯提高，此外功能層可以有效的緩解結構中的應力集中，緩沖沖擊過程中的部分能量，從而提高結構的抗沖擊性能。

技術領域

本發明涉及仿生結構工程技術領域，具體涉及一種仿馬尾草莖干的多功能熱防護結構。

背景技術

近年來，隨著航空航天領域的快速發展，高超飛行器和可重復使用的運載火箭已然成為航空航天領域的重要組成部分，然而飛行器在高速巡航和返回階段不得不承受嚴重的氣動加熱，因此在飛行器外層需要穿上熱防護結構外衣，熱防護系統是使飛行器在較高的氣動加熱環境下免遭過熱的結構。熱防護結構可以有效地提高飛行器的安全性和穩定性，熱防護結構不但可以保護飛行器內部構件免受高溫的破壞，而且還可以提供足夠的承載能力，其與飛行器的承力結構和推進設備具有同等重要的作用。在各種材料的熱防護結構中，金屬熱防護結構不但可以起到隔防熱的作用，而且還可以作為承力構件，與傳統的航天飛機陶瓷熱防護系統相比，可實現減重15％～20％，此外相比于普通的熱防護結構的膠粘連接而言，金屬熱防護結構可以實現與飛行器內部構件形成機械連接，連接更加牢固穩定。

經過數億年的發展，自然界的生物結構逐漸表現出優越的性能，并且為技術的發展和創新提供了源源不斷的原型，研究表明馬尾草內部與外部的溫度差異很大，其內部微結構特征可以有效的阻隔熱量的傳輸，在某種程度上起到有效地隔防熱效果，同時在大風的沖擊下，也不會被折斷，具有抗風沖擊、抗彎能力強的特點，通過對馬尾草內部微結構特征進一步的觀察發現，不同的馬尾草具有不同的內部微結構，進而決定了其性能，進而適應不同的環境下的外部載荷。基于馬尾草優異的隔熱和抗沖擊性能，為熱防護結構提供了天然的生物藍本。

發明內容

發明目的：本發明目的在于提供一種仿生多功能熱防護結構，解決航空航天領域極端環境下的熱防護問題；本發明的另一目的在于提供一種上述熱防護結構的成形加工方法。

技術方案：本發明所述仿生多功能熱防護結構，由上、下兩面板層和位于兩面板層之間的功能層組成；

面板層為結構板，用于與飛行器的連接；

功能層包括若干中空管狀的大結構管，各大結構管層疊并聯結形成蜂窩結構。

本發明進一步優選地技術方案為，在各大結構管內均設置同軸有一中空管狀的小結構管，所述小結構管通過多個結構壁與對應的大結構管聯結。

作為優選地，所述大結構管管壁厚0.5mm，相鄰兩大結構管之間具有0.3mm的偏移量；所述小結構管管壁厚0.2mm，結構壁厚0.2mm。

優選地，所述大結構管內徑為4mm，小結構管的內徑為1mm，外徑為1.4mm。

優選地，所述大結構管內徑為4mm，小結構管的內徑為1.5mm，外徑為1.9mm。

優選地，所述大結構管內徑為4mm，小結構管的內徑為2mm，外徑為2.4mm。

優選地，所述面板層和功能層均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒徑范圍為17～68μm。

本發明的仿生多功能熱防護結構的成形方法，包括如下步驟：

1)模型設計及處理：構建結構的三維實體幾何模型，并通過3D打印模型處理軟件對結構進行分層切片處理，切片層厚為20～100μm；