高超声速飞行器波纹夹芯热防护系统热力耦合分析

“轻质热防护系统波纹夹芯结构热力耦合分析 (2013年)” 这篇论文详细探讨了高超声速飞行器在面对极端气动加热载荷时，热防护系统的重要性和其对结构性能的影响。热防护系统（Thermal Protection System, TPS）是确保飞行器安全的关键组件，尤其对于高超声速飞行器来说，其在大气层进出或长时间空间飞行时会遇到极其剧烈的气动加热。论文首先强调了对热防护系统进行传热分析的重要性，因为温度分布直接影响波纹夹芯结构的热应力和其他相关问题。 论文作者们专注于一体化热防护系统（Integrated Thermal Protection System, ITPS），这是一种将防热和承力结构结合在一起的设计。他们通过隔热性能分析，得到了整个结构的温度场分布情况。接着，他们采用顺序耦合的数值方法，对ITPS中的波纹夹芯结构单胞进行了热力耦合性能的模拟分析。这种方法允许他们评估结构在静态载荷和热力耦合载荷下的应力和位移情况。 研究结果显示，波纹夹芯结构在特定的初始尺寸和约束条件下，仅能承受一定的高温热流，特别是在飞行器低压区域。然而，当气动压力超过15000帕时，结构可能会遭受破坏。这意味着在设计过程中，必须考虑到这些极限条件，以确保结构的稳定性和耐久性。 此外，论文还指出，热载荷会导致材料力学性能下降，结构变形加剧，甚至可能引发翘曲、蠕变以及温度变化引起的热振动和颤振问题。传统的热防护技术，如烧蚀技术，对于可重复使用的飞行器已不再适用，因此新型的金属合金和复合材料热防护系统成为研究重点。 ITPS的提出，旨在通过吸收和分散热量来保护飞行器，同时兼备承力功能，这一设计理念为高超声速飞行器的热管理提供了新的可能性。然而，设计和分析这类系统是一项复杂任务，需要深入理解热-结构耦合效应以及材料在极端环境下的行为。 这篇2013年的论文为高超声速飞行器的热防护设计提供了重要的理论基础和分析方法，对于理解波纹夹芯结构在热力耦合条件下的行为以及优化热防护系统设计具有重要意义。