金属热防护系统边缘热短路研究_解维华

　第31卷　第5期航　空　学　报

Vol 131No 15　2010年 5月ACTA A ERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA May 2010

收稿日期:2009205211;修订日期:2009210212

基金项目:国家自然科学基金(10902030);中国博士后科学基金

(20080440885);黑龙江博士后科学基金

通讯作者:解维华E 2mail :michael @

文章编号:100026893(2010)0521080206

金属热防护系统边缘热短路研究

解维华1,孟松鹤1,杜善义1,韩杰才1,张博明2

(1.哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,黑龙江哈尔滨　150080)(2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨　150080)

Study on Edge H eat Shorts of Metallic Thermal Protection Systems

Xie Weihua 1,Meng Songhe 1,Du Shanyi 1,Han Jiecai 1,Zhang Boming 2

(1.Center for Composite Materials and Structure ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150080,China )(2.School of Material Science and Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150080,China )

摘　要:研究了金属热防护系统(TPS )的缝隙辐射及支架两大热短路问题。通过数值计算分析了缝隙宽度和缝隙辐射率对热短路的影响,完成了整体样件以及阵列组合件的稳态传热实验测试,定量地研究了热短路的影响情况。实验结果显示:支架处热短路现象明显,实验中支架引发的热短路温差高达50K;在773K 以下,缝隙传热引发的温升随着缝隙宽度的增加而线性增加;在773K 以上,辐射热传导在缝隙宽度超过3mm 时即成为内部传热的主导机制,这时缝隙传热引发的温升不再随宽度增加而线性递增。所提供的数值分析和实验方法可为金属热防护系统的分析与设计提供重要的参考价值。关键词:热防护材料;热辐射;热短路;缝隙宽度;热防护阵列中图分类号:V435+114 文献标识码:A

Abstract :The two major heat short problems of gap radiation and brackets in metallic thermal protection sys 2tem (TPS )are studied in this article.Numerical analysis is carried out to evaluate the influence of gap width and emissivity on heat shorts.A series of steady heat transfer experiments on TPS sample and array is comple 2ted ,and the influence of heat shorts on performance of TPS is studied quantificationally.The experimental re 2sults show that heat shorts occur at the site of brackets ,and the resulting temperature difference is as high as 50K.When the temperature is lower than 773K ,the temperature difference induced by gap heat transfer in 2creases linearly as the gap width becomes larger.When the temperature is higher than 773K ,however ,the radiation phenomenon becomes a dominant factor influencing the mechanisms of heat transfer as the gap width is larger than 3mm.And the temperature difference does not change linearly as the gap width increases.The numerical and experimental methods presented in this study can provide some reference for the design and anal 2ysis of metallic TPS.

K ey w ords :thermal insulating materials ;heat radiation ;heat shorts ;gap width ;TPS array

金属热防护系统(Thermal Protection System ,

TPS )特有的可设计性和低维护成本使其成为重复使用运载飞行器的一种主要防热形式[1]。但金属TPS 与其他毡、瓦式防热材料/结构类似,都是通过拼接的方式覆盖在飞行器外表面形成防护层,因此防热结构件间的缝隙不可避免,由此引发的热短路问题不容忽视。这里的热短路是指:在防热结构的边缘或连接处,由于上下表面间不存在隔热层,致使热量直接由外部表面通过传导或辐射传到机身内部。与防热结构中心位置(内部含有隔热层)相比,边缘处的热短路效应可能会令其底部机身结构

过早或过大地出现极值温度。如果机身结构材料具有较高的热扩散率,那么由热短路传下来的热量会很快地扩散到整个结构;如果热扩散率相对较低,机身中防热板边缘下方的温度就会高于其他位置的温度,那么就需要根据热短路原理来设计结构的尺寸,并最终导致设计的结构过厚过重。因此在金属热防护系统的研究中,对于边缘热短路效应的分析必不可少。

近几年国内一些学者瞄准国际发展情况对金属TPS 展开了大量的研究工作,包括防隔热材料/结构的研究进展[225],材料/结构的分析、设计[6210],样件的制备与性能测试表征[11214],但边缘热短路问题的研究目前尚未见到报道。国外M 1L 1Blosser [15]早在2000年就对缝隙辐射的影