高超声速飞行器可重复使用柔性热防护系统隔热性能试验研究VIP免费

高超声速飞行器可重复使用柔性热防护系统隔热性能试验研究任青梅成竹秦强王琦贾二院中国飞机强度研究所，陕西西安710065摘要：高超声速飞行器在大气层中飞行时，其外表面受到严酷的空气动力加热作用，为保护机身主结构使用安全，常采用在飞行器外表面覆盖柔性隔热毡的热防护措施。柔性隔热毡主要由多孔隙轻质耐高温纤维隔热材料组成，其导热系数随温度和压力而变化。覆盖在飞行器外表面的柔性隔热毡受瞬态热载荷和动压联合作用，其隔热性能很难通过计算来确定。为考核飞行器服役环境下柔性隔热毡的隔热性能，确定飞行器不同区域隔热毡厚度，需要在地面进行高超声速飞行器瞬态气动热/动压环境模拟，并在该环境下进行柔性隔热毡隔热性能的试验测试。本文主要介绍了瞬态气动热/动压联合作用条件下，柔性隔热毡隔热性能测试原理、方法、关键技术及解决方案。试验采用具有自主知识产权的热/真空环境试验装置，气动加热采用石英灯辐射加热，热载荷控制采用全方程热流密度控制方法，基于轨道参数实现了气动加热的模拟；在柔性隔热毡所受动压模拟方面，采用压差加载方法，解决了柔性多孔隙材料动压模拟的技术难题。最后给出了典型测试结果，并对试验结果进行了分析。该项研究对进一步开展高超声速飞行器可重复使用热防护系统研究具有一定借鉴意义。关键词：高超声速；可重复使用；柔性热防护系统；隔热性能；试验引言柔性隔热毡作为典型可重复使用热防护系统（TPS）之一，以其轻质、耐高温、可裁剪、易固定、可承受超温的优点，广泛应用于高超音速飞行器机身大面积区域的热防护。自航天飞机研制初期，美国以Ames研究中心为主，在柔性热防护系统方面开展了大量研究工作，成功研制了柔性隔热毡FRSI、先进柔性隔热毡AFRSI、可定制柔性隔热毡TABI及复合隔热毡CFBI等的一系列可重复使用柔性热防护系统，在航天飞机、X-33、X-34、X-37、X-38、X-43等诸多高超音速研究机中都有不同程度的应用。如X-34除头锥和机翼前缘使用浸硅树脂的可重复使用陶瓷烧蚀防热瓦（SIRCA）之外，其它区域大量使用了柔性隔热毯/毡防热系统。主要包括以下三种：一是先进柔性可重复使用表面隔热毡（AFRSI），用于温度不超过800℃区域，这种隔热毯已得到飞行验证，目前多用于轨道飞行器的背风面。二是耐高温先进柔性可重复使用表面隔热毡（HT-AFRSI），它的可重复使用设计温度为1080℃，主要用于迎风面区域。三是高熔点聚酰胺毡，即柔性可重复使用表面隔热毡（FRSI），用在温度不超过360℃的低温区，主要是机身侧面和背风面。近年来，随着材料及工艺的不断发展，波音公司新研制的柔性热防护系统CRI的使用温度已经提高到接近1200℃，表面硬度进一步提高，使其平整度得到极大改善，热防护系统几何尺寸精度得到提高，可加工成数平方英尺的大尺寸，该类热防护系统已成功用于X-37机身迎风面[1]。研究表明，柔性热防护系统的隔热性能对温度和压力有比较大的依赖性[2]。高速飞行器在爬升、再入段及作机动飞行时，其表面粘贴的柔性隔热毡将承受瞬态高温和动压共同作用，其隔热性能也随时间变化。为评估沿整个飞行剖面柔性热防护系统的有效性，验证其隔热效果，需要进行地面试验，模拟柔性热防护系统所受瞬态气动热/动压共同作用，进行隔热性能试验研究。图1柔性隔热毡在X-34中的应用图2波音公司各类CRI柔性热防护系统美国兰利研究中心研制了不同尺寸的单压力罐热/真空试验系统，开展了不同温度/静压环境下柔性隔热毡导热性能试验研究[3]，国内的哈尔滨工业大学、上海交通大学等单位也研制了类似的试验装置，测试了一些纤维隔热材料在不同气压、温度下的有效导热系数[4][5]。目前国内外关于柔性隔热材料隔热性能的试验研究主要集中在气动热/大气压力模拟环境，对于服役过程所遭遇的气动热/动压环境下隔热性能的试验研究未见报道。而较高的动压有可能使柔性热防护系统发生压缩变形，致使其实际隔热性能显著下降。因此，动压环境的模拟具有很重要的工程价值。本文主要介绍了地面模拟瞬态气动热/动压联合作用条件下，柔性隔热毡隔热性能测试试验的装置、原理、关键技术及解决方案。1热/动压下柔性热防护系统隔热性能试验1.1柔性热防护系...