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空天飞行器再入过程中关键热结构的热分析

沈玲玲  
【摘要】:随着空间技术的飞速发展,可重复使用空天飞行器成为新一代天地往返运输系统的发展方向,对于降低空间运输成本具有重要的意义。而对于这种先进的可重复使用运载器,防热领域的研究工作一直受到极大的重视。对空天飞行器进行再入过程的气动热分析和防热结构的温度场以及热应力的计算可以直接为防热系统(TPS)的设计和评估提供重要依据,是项很有意义的工作。 本文研究对象是采用防热一结构一体化设计的可重复使用空天飞行器的全C/SiC复合材料襟翼结构。首先对空天飞行器再入过程中的热环境进行了分析和计算。根据美国先进空天飞行器X-38的再入轨迹,计算襟翼结构在再入过程中的气动加热问题。基于Prandtl的边界层理论,将流场分为边界层外的无粘流场和边界层内粘性主导的区域,将边界层外无粘流场的数值求解和边界层内粘性主导区域的工程算法相结合,计算空天飞行器襟翼结构在再入过程中在迎风面上产生的热流密度。 采用有限元的方法计算襟翼结构由气动加热引起的温度场以及在温度场作用下的热应力。温度场计算考虑了的传导、对流和辐射三种传热方式同时存在的情况,并与传统飞行器热分析只考虑传导和对流两种传热方式的计算结果进行了对比,证实了辐射换热在再入过程的结构热传递中占主导地位。探讨了材料的热传导系数、比热等因素对热分析结果的影响,以及温度场梯度的变化对热应力的影响。 本文在严格的理论基础之上设计了准确而实用的计算方法,完成了再入过程结构的气动加热、温度场以及热应力的计算和分析,对空天飞行器的防热结构设计具有一定的工程实用价值。


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