气凝胶夹芯金属热防护结构换热特性的实验研究_刘海涌

（ School of Engine and Energy， Second Artillery Engineering Univ． ， Xi＇an 2．School of Power and Energy， Northwestern Polytechnical Univ． ， Xi＇an in the 4th Ｒesearch Academy of CASC， Xi＇an
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引言
作为大面积热防护结构， 具有韧性高、 耐冲击性强、 更 换安装方便和易于一体化设计等优点， 已成为大面积 热防护结构的重点研究内容之一
［2 ］
热防护系统（ TPS） 是高超声速飞行器设计与制造 的关键技术之一， 必须采用合理的热防护材料和结构 ， 以保证高超声速飞行器安全可靠工作
［1 ］
。国内已经开展有
。 金属 TPS
关金属 TPS 的相关研究工作。 闫长海、 李东辉和李道
①
0310； 修回日期： 20151225。 收稿日期： 2015基金项目： 国家自然科学基金（ 51206180） ； 陕西省自然科学基础研究计划资助项目 （ 2014JQ7276） 。 mail： helian_xicheng@ 163．com 主要从事飞行器及发动机高温部件热防护技术研究 。E作者简介： 刘海涌（ 1981—） ， 男， 博士后，
第 39 卷第 2 期
固体火箭技术 Journal of Solid Ｒocket Technology
Vol．39 No．2 2016
气凝胶夹芯金属热防护结构换热特性的实验研究
刘海涌
1，2 3 2 ， 刘朝阳 ， 刘存良
①
（ 1． 第二炮兵工程大学 动力工程系 ， 西安
710025； 2． 西北工业大学 动力与能源学院 ， 西安 710025）
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K， 在773 K以上辐射换热在缝隙宽度超过 3 mm 时， 即 成为内部传热的主导机制。李广德等研究了盖板式陶
［11 ］ 瓷 TPS 的传热性能 ， 分析了隔热层的物性参数、 厚 度尺寸、 相变层的种类及位置等因素对热防护系统结
构传热性能的影响， 指出相变材料的引入能够明显改 善热防护系统结构的传热性能。刘双对发汗式主动冷
表1 Table 1 功能层 承载层 高温绝热层 低温绝热层 底层 连接件 金属 TPS 标准实验件选材与几何参数 Material and geometric parameters of the typical test model 长度 / mm 300 300 300 300 220（ 孔间距） 宽度 / mm 300 300 300 300 220（ 孔间距） 厚度 / mm 2 9 7ˑ2 3 10（ 直径） 材料 GH3044 GＲ1008 DＲ0610 2A12 GH3044 耐热 / ħ 1 000 800 600 350 1 000 图1 Fig．1
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（ b） TPS 标准实验件结构尺寸与热电偶相对位置
程。部分 文 献 还 对 金 属 TPS 热 应 力 开 展 了 相 关 研 ［13－14 ］ 。 究 为进一步掌握金属 TPS 结构的换热特性， 掌握其 ， 内部结构变化对热防护性能的影响 探索在该结构内 设计主动冷却结构的方法和途径 。 本文建立了不同结 构的气凝胶夹芯金属 TPS 结构实验模型， 并开展热冲 击实验研究。实验中， 设计了与数值模拟边界条件相 类似的热边界条件， 便于选取实验数据作为数值计算 的边界条件加以运用， 或在两者之间进行可靠地对比 分析。实验件综合考虑了多层绝热层、 空腔和功能层 排列方式的影响， 获取了结构不同位置的温度时间响 应特性规律， 为改进和完善金属 TPS 结构的设计方法 与实验手段积累经验。
10 m m
( 6 , 10 1( 5 , 9 2) 3( 7 , 11 ) ) 4( 8 , 12 )
（ c） 热电偶测点分布 TPS 标准实验件结构与热电偶测点分布图 Construction of the typical test model and the distribution of the thermocouples
710072；
3． 第二炮兵驻中国航天科技集团公司四院军事代表室 ， 西安
摘要： 根据飞行器热防护系统设计需求 ， 建立了气凝胶夹芯金属热防护结构 （ TPS） 的实验模型， 考虑了多层绝热层、 空 腔、 功能层排列方式的影响 ， 在热端温度为 773 K 和 1 073 K 两种热边界条件下， 开展非稳态热冲击实验研究 。实验结果表 明， 承载层的温度变化规律主要由温度边界条件决定 ， 实验模型内部结构的变化对其没有明显影响 ； 气凝胶绝热层的热防 护效果明显， 其变化对金属 TPS 结构的换热特性具有决定性的影响 ； 在本文的实验温度范围内 ， 空腔内的换热与相同厚度 的低温绝热层的热传导能力相当 ； 处于实验室大气环境的底层板的热边界条件接近于绝热壁面 。 实验结果可为金属 TPS 结构内的主动冷却结构设计提供参考 ， 也可为相关数值模拟研究提供边界条件或验证数据 。 关键词： 气凝胶； 热防护系统； 热冲击； 绝热层； 换热特性 中图分类号： V435 文献标识码： A 2793（ 2016） 02025306 文章编号： 1006DOI： 10．7673 / j．issn．10062793．2016．02．018
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2016 年 4 月
固体火箭技术
第 39 卷
奎等对金属热防护系统的稳态热性能和瞬态换热模型 ［3－6 ］ ， 开展了研究 检验了数值模拟方法， 并建立了科学 的热分析模型。李崇俊等对航天飞行器热防护系统技 ［7 ］ 术进行了综合研究 ， 指出碳气凝胶填充新型热防护 结构在高温热防护材料方面具有重要的实际应用价 值， 可作为薄壳 TPS 应用于高超声速飞行器机身及发 动机中。刘斌等通过数值模拟方法对高超声速飞行器 ［8 ］ 大面积 TPS 隔热毡内的传热特性进行了研究 ， 分析 其结构内导热与辐射的复合换热问题， 以及温度和压 力对传热机制的影响， 并得到了有效导热系数。 侯玉 柱等 对 高 超 声 速 飞 行 器 TPS 进 行 了 瞬 态 热 实 验 研 ［9 ］ 究 ， 实时测量 TPS 结构表面的热流值和温度，获取 了热流曲线和温度曲线。解维华等研究了金属 TPS 边
［10 ］ 缘缝隙辐射和支架两大热短路问题 ， 指出支架处热 短路现象明显，实验中支架引发的热短路温差高达 50
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实验装置与测量方法
如图 1（ a） 所示， 建立了气凝胶夹芯金属 TPS 简化 。 结构的标准实验件 在实验件模型中， 其上层为承载 由 层， 材质为高温耐热合金（ GH3044） ； 中间为绝热层， 1 层 耐 高 温 气 凝 胶 （ GＲ1008 ） 和 2 层 耐 低 温 气 凝 胶 （ DＲ0610） 组成； 底层为航空铝合金 （ 2A12 ） 。 各功能 层由高温耐热合金沉头螺栓（ GH3044） 连接， 并通过相 同材料的紧固件固定。沉头螺栓和紧固件与底层板间 通过气凝胶垫圈进行隔热。 金属 TPS 标准实验件为 300 mm ˑ 300 mm 的 方 形 结 构， 其中上层板厚度为 2 mm， 高温绝热层厚度为 9 mm， 低温绝热 层 厚 度 为 14 mm， 底层板 厚 度 为 3 mm。 连 接 件 的 通 孔 间 距 为 220 mm， 通孔直径为 10 mm， 沉头直径为 14．5 mm。 各 功能层的具体材料、 几何参数和耐热性能等参数见图 1 和表 1。
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2016 年 4 月
［12 ］ 却金属热防护系统主动冷却进 行 了 研 究 ， 结果表 明， 采用发汗冷却方法， 可明显延缓蒙皮材料升温过
（ a） Baidu NhomakorabeaPS 标准实验件结构与各功能层材料
300 220
28 1234 ! "#$$$ 2
!"#5 , 6 , 7 8, 10 , 11 12 , !"#9 ,
710025， China； 710072， China；
3．Military Ｒepresentative Department of the 2nd Artillery Force Stationed 710072， China）
Abstract： Experimental models of the metallic thermal protection system（ TPS） with aerogel insulation were built up based on the need of the hypersonic vehicles．Different constructions of the aerogel insulation were designed with considering the effects of the cavity and arrangement of function layers．The thermal shock experiments were conducted under two temperature conditions of 773 K and 1 073 K．Important results of the experimental study include： the temperaturetime variation pattern of cover sheet was determined by the external temperature boundary conditions， and the change of insulation constructions had little influence on it．The aerogel insulation had impressive performance in heat resistance， and its construction determined the heat transfer characteristics of the test model． In the temperature range of the present study， the radiation effect in the cavity hadn＇t played a dominate role on the heat transfer， when its heat transfer ability was similar to the aerogel insulation with same depth．The boundary condition for the internal sheet was similar to the adiabatic wall．The experiment data was useful in the design of the active cooling system for the internal cooling of TPS， and it also provided boundary conditions and validation basis for the numerical research． Key words： aerogel； thermal protection system； thermal shock； insulation； heat transfer characteristics
Experimental investigation on heat transfer characteristics of the metallic thermal protection system with aerogel insulation
2 LIU Haiyong 1， ， LIU Chaoyang 3 ， LIU Cunliang 2