馬忠輝等RLⅤ陶瓷熱防護系統(tǒng)熱分析模型研究文章編號:1004-7182(2003)03-0019-06RLV陶瓷熱防護系統(tǒng)熱分析模型研究馬忠輝孫秦王小軍楊勇(西北工業(yè)大學(xué),西安,710072)(北京宇航系統(tǒng)工程設(shè)計部,北京,100076)摘要:應(yīng)用于可重復(fù)使用運載器的陶瓷熱防護系統(tǒng)具有多層結(jié)構(gòu)、材料物理性能差異大、外邊界具有輻射、對流換熱等復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外邊界特征,熱分析涉及到復(fù)雜的氣動熱、溫度場以及應(yīng)力應(yīng)變場的耦合分析。瞬態(tài)溫度場分析是將各種分析過程耦合于一體的一個重要的中間環(huán)節(jié),應(yīng)用非線性全隱式有限差分方法研究陶瓷熱防護系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場數(shù)值計算方法及細致計算步驟,建立了用于溫度場分析及結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)測的一維熱分析模型,獲得了可資工程實踐應(yīng)用的數(shù)值算法體系以及有益的數(shù)值計算結(jié)論,對于提高熱防護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量旳預(yù)測精度及深λ進行往返式航天飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計都有較好的理論參考價值。關(guān)鍵詞:重復(fù)使用運載器;陶瓷;熱防護系統(tǒng);瞬態(tài)溫度場;隱式差分格式;熱分析模型中圖分類號:V250.1V435.14文獻標識碼:AThermal model Study of rlv Ceramic Thermal protection SystemMa Zhonghui Sun Qin(Northwestern Polytechnical University, Xi'an, 710072)Wang Xiaojun Yang YongBeijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)Abstract: Analysis of reusable temperature protection system involves flow field analysistemperature field analysis and stress and strain field analysis, in which transient temperature fieldalysis is the key medium procedure that couples all analyses Based on analyzing the characters ofinter structure and outer condition of tps that is laminar and thermal radiative at surface, this paperstudies the application of nonlinear, implicit one-dimensional, transient, difference solution techniqueto predict temperature field through TPS and one-dimensional thermal model, which will be used toanalyze temperature field and predict structure weight. This method will improve the analysisprecision中國煤化工Key Words: Reusable launch vehicle, Ceramic, TheCNMHGnSIent temperaturefield, Implicit finite difference scheme, Thermal model收稿日期痂數(shù)據(jù)8作者簡介:馬忠輝(1977-),女,在讀博士生,主要從事飛行器設(shè)計研究導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)2003年1引言態(tài)溫度場高精度計算分析的目的就在于準確估算使往返于大氣層內(nèi)外,使航天/空天飛機遭受到大內(nèi)部冷結(jié)構(gòu)在使用溫度范圍內(nèi)時的隔熱層厚度氣層內(nèi)、外的所有外部環(huán)境的影響,尤其在上升和再涂入階段受到嚴重的氣動加熱,因此必須采用熱防護系統(tǒng)(TPS)。航天飛機軌道器的防熱系統(tǒng)質(zhì)量約占防熱瓦軌道器總重的20%,超過以往任何載人再入飛行器有機膠的比率(水星飛船為1/12,雙子星座飛船為1/7,阿波應(yīng)變隔高墊冷結(jié)構(gòu)羅登月艙為1/14)先進的空天飛機特別是單級入軌空天飛機對結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求十分苛刻,有效載重比的高低將直接決定其竟?fàn)幜?。因?提高熱防護系統(tǒng)質(zhì)圖剛性陶瓷防熱瓦分析模型量的估算精度,對于減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量、實現(xiàn)熱防護系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、提高運載器有效載重以及經(jīng)濟性等會起涂層到重要作用。目前,美國等先進航天大國都在致力于提高計算流體力學(xué)(CFD)對氣動加熱環(huán)境的預(yù)測精度,改進防熱系統(tǒng)溫度場瞬態(tài)響應(yīng)分析方法,并將兩柔性隔熱氈個分析過程有機耦合在一起,提高熱防護系統(tǒng)質(zhì)量的估算準確度-。本文在借鑒已有的研究成果基有機膠冷結(jié)構(gòu)礎(chǔ)上,探討具有多層結(jié)構(gòu)、變物性,外邊界具有輻射對流換熱等特點的陶瓷防熱系統(tǒng)瞬態(tài)導(dǎo)熱過程的數(shù)圖2柔性隔熱氈分析模型值分析方法,建立應(yīng)用于溫度場分析及結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)測的熱分析模型,以期獲得對防熱系統(tǒng)質(zhì)量預(yù)測精度的改進。外邊界2陶瓷防熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)分析模型及離散72化處理經(jīng)過幾十年的研制與應(yīng)用,國外非金屬防熱系材料2到統(tǒng)已經(jīng)有多代產(chǎn)品問世,由最初的剛性陶瓷防熱瓦、柔性隔熱氈發(fā)展到現(xiàn)代結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的多層隔熱系統(tǒng),防熱系統(tǒng)物理性能得到很大改善,但仍保持了基●7材料M本的層狀結(jié)構(gòu)。將真實結(jié)構(gòu)進行簡化得到的數(shù)學(xué)分內(nèi)邊界析模型如圖1~2所示2。防熱系統(tǒng)整體由不同厚度、物理性能差異顯著的數(shù)層物質(zhì)疊合而成,基本結(jié)構(gòu)圖3陶瓷防熱結(jié)構(gòu)離散化分析模型由外至內(nèi)分別為表面涂層、隔熱材料、粘膠以及內(nèi)部中國煤化工題的數(shù)值計算方程,首冷結(jié)構(gòu)。各層物理性能隨防熱系統(tǒng)的不同而改變,隔熱材料可能由多層組成,為保證變形協(xié)調(diào)在剛性陶先義HCNMHG,沿?zé)崃鱾鬟f的一維單瓷瓦和內(nèi)部冷結(jié)構(gòu)之間必要時應(yīng)用應(yīng)變隔離墊。上向坐標方向?qū)δＰ瓦M行單元劃分,如圖3所示。單元升/再入過程中防熱系統(tǒng)經(jīng)受巨大的氣動加熱,在平劃分時必須在各層交接面處設(shè)置計算節(jié)點,使得層狀結(jié)構(gòu)在一個單元內(nèi)具有相同的材料物理性能。根面一定范勇毀據(jù)度變化不大,熱流由外向內(nèi)傳遞故可簡化為無熱源的一維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程進行瞬據(jù)防熱系統(tǒng)的多層特性以及各層厚度、功能差別較馬忠輝等RLⅤ陶瓷熱防護系統(tǒng)熱分析模型研究大的特點,單元的細致劃分分別在各層內(nèi)進行,根據(jù)(5)結(jié)構(gòu)特點、溫度分布特征以及計算規(guī)模選取恰當(dāng)?shù)膯卧叽?。邊界?jié)點位于氣動加熱外表面上,最外層由于單元的劃分甚為細密,故可取T對x成分段線單元的厚度為其它單元的一半,內(nèi)部各節(jié)點都位于性分布。當(dāng)換熱系數(shù)不均勻時,通常利用節(jié)點處的換單元的中點?？紤]到內(nèi)部冷結(jié)構(gòu)具有一定的承熱載熱系數(shù)采用調(diào)和平均法計算界面處換熱系數(shù),并考能力,它承載能力的大小將影響到防熱系統(tǒng)溫度場慮到兩種介質(zhì)之間存在熱阻,此計算表達式為特點,本文將內(nèi)部冷結(jié)構(gòu)作為最后一層結(jié)構(gòu)位于防=R-1(+-T熱系統(tǒng)的底部,內(nèi)邊界節(jié)點位于冷結(jié)構(gòu)邊界處。3內(nèi)部熱傳導(dǎo)分析及差分方程建立R1(T+-T+)i=2,4,…,(6)在直角坐標系中無熱源一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的式中R為熱阻系數(shù)取值為控制方程為(7)(1)(2-1)k2k當(dāng)節(jié)點i在邊界上時1,其余情況下為0;h,為式中p,c,k及T分別為密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)兩介質(zhì)之間的熱阻最終可得一維隱格式的數(shù)值離及溫度。散化計算方程為高超音速氣流使防熱系統(tǒng)靠近外邊界區(qū)域溫度wc)+(T+-T)△=[R-1(T極高,在整個時空研究域內(nèi)溫度、大氣壓變化劇烈(8)這使得材料的物理性能成為溫度及壓力的函數(shù)。結(jié)將上式時間增量Δ規(guī)則化,經(jīng)重新整理后即得全隱合物理模型中各單元材料物理性能不同這一特點,本文選用熱平衡法對控制方程進行離散化處理,建式差分格式的遞推計算公式:立全隱式差分方程。在Δ時間內(nèi)傳入控制體△區(qū)域R1T+1+()+14+R;1+內(nèi)的凈熱量等于Δt時間內(nèi)Δ區(qū)域內(nèi)物質(zhì)能量的改變,對控制體Δ在t到t+△的時間內(nèi)作積分得R-1)T"+1-RT"+1=(c)+1元Tpc=dxdt=2,4,…,N;n=0,1令)?1元+R1+R-1,并將空△oc(T+4-T)dx間離散段寫作矩陣形式,最終得:01TT7n+1ax/x+△b考慮到防熱系統(tǒng)的層狀結(jié)構(gòu)特征,取控制體內(nèi)T及關(guān)于x為階梯式變化,故同一控制單元內(nèi)pc關(guān)于x均為常數(shù),且分別為計算節(jié)點的數(shù)值,于是有()2+T2+a1TT)dx中國煤化工CNMH(10)(pc)+(T+4-T)△取對時間作隱式階躍變化,即在t到t+△時刻(P)1T+ax+1T3*+1的變化用t+△的數(shù)值表征,即為數(shù)導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)2003年4邊界條件分析換熱系數(shù)是表面催化度的函數(shù),如果各TPS結(jié)構(gòu)和高超音速流場中在無燒蝕的可重復(fù)使用熱防護材料的催化度變化很大,CFD必須對高催化度和低系統(tǒng)的外表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),防熱系統(tǒng)外表面與流催化度的表面都進行計算場發(fā)生能量交換這些構(gòu)成流場CFD計算的邊界條若已知流體恢復(fù)溫度T和對流換熱系數(shù)Cr,采件同時決定了防熱系統(tǒng)的外邊界熱流條件在氣流用熱平衡法在邊界單元建立離散化方程為與TPS邊界處能量平衡方程為[(C1)+1△1+△R11T1+1-△R1T2+1(PC1)+4T+M[Cr(T-T1+1)k t>ipDh(14)(Tm-T)=0(Tm)rm+qm(11)若已知外邊界熱流q=f(t),即第2類邊界條件,邊式中k為氣體換熱系數(shù);7為運載器表面法向方界單元離散化方程為向;D為漫射系數(shù);h為熱涵;s為氣體種類;σ為斯忒(PC1)+141+MR11T+1-△R1T2潘-博爾茲曼常數(shù);ε為壁面黑度;T為壁面溫度(C1)+4T1+q4t-Fu1E1(T1+)4△t(15)qond為換熱熱量內(nèi)邊界節(jié)點可以通過輻射或?qū)α鲹Q熱向防熱系統(tǒng)外進行氣動熱分析時,假設(shè)qm=0,即TPS與氣傳遞熱量,分析時假設(shè)內(nèi)邊界為絕熱條件h3/流之間沒有熱傳導(dǎo),能量方程簡化為0,獲得溫度場的保守值,其離散化方程為MRx21Tx1+(c)x1△+△RN21)Tx1T(12))w1△T(16)在分析TPS內(nèi)部熱傳導(dǎo)時計算獲得qm,其能量平內(nèi)部節(jié)點及邊界節(jié)點離散化方程構(gòu)成了防熱系衡方程為統(tǒng)換熱問題封閉解的數(shù)值計算離散化方程組,在C7(Tm-T)=e(T)T2+gm(13)定邊界條件及初始條件下可以獲得防熱系統(tǒng)沿時間式中Cr為對流換熱系數(shù);T為恢復(fù)溫度流變化的溫度場。在分析過程中將模型中的各層材由于氣動熱分析及防熱系統(tǒng)內(nèi)部熱傳導(dǎo)分析過料的物理性能編寫成單獨模塊,計算各節(jié)點的物理程中對q。m處理的不同需要進行迭代計算,以獲得性能,由于材料的物理性能為溫度、壓強的函數(shù),節(jié)防熱系統(tǒng)導(dǎo)熱分析的外部邊界條件。但在文獻[9]點溫度、壓強一旦改變就需要重新計算在外邊界節(jié)中已證明一次選代計算的誤差只有3%左右,因此點離散化方程中存在溫度的4次方項,在計算過程中在沒有特殊要求的情況下,可以直接應(yīng)用壁面輻射將輻射熱量作為常數(shù)放在等式右端。用前一時間段平衡時的對流換熱系數(shù)而無需進行迭代計算。這也的溫度計算各節(jié)點的物理性能及壁面的輻射熱量,說明在研究防熱系統(tǒng)問題時可以分別從提高氣動熱作為初始值代入后一時間段,獲得后一時間段各節(jié)分析和防熱系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方點溫度后重新求解各節(jié)點物理性能及壁面輻射熱量面予以研究回代入方程,進行多次迭代計算,直到兩次計算獲得對流換熱系數(shù)是流體流動特性和表面特性的函的溫度差在允許誤差范圍內(nèi)。當(dāng)防熱系統(tǒng)內(nèi)某節(jié)點數(shù),但對于沒有燒蝕的表面對流換熱系數(shù)對流體特溫度達到其極限溫度時,增加隔熱層厚度重新進行性改變的敏感性要比壁面特點改變的敏感性強得分中國煤仁其極限值之內(nèi)根據(jù)各層多對于給定的再入點,除非表面特性有巨大的改材CNMHG變,對流傳導(dǎo)系數(shù)和恢復(fù)溫度幾乎不改變。除非要求進行特別精確的計算,在分析瞬態(tài)溫度場及設(shè)計和5算例及數(shù)值解收斂性分析計算沒有燒蝕發(fā)生的TPS的質(zhì)量時對于輻射平衡應(yīng)用本文分析方法對剛性陶瓷防熱瓦LI2200的壁面對鶇舾數(shù)可以直接應(yīng)用這樣增強了同進行了計算分析,外邊界為典型的升力體形式氣動飛行條件下各種熱防護系統(tǒng)的可比性。由于對流布局的可重復(fù)使用運載器再入階段迎風(fēng)面的熱流條馬忠輝等RLⅤ陶瓷熱防護系統(tǒng)熱分析模型研究件,如圖4所示。內(nèi)部冷結(jié)構(gòu)為αr-蜂窩結(jié)構(gòu)。溫度變化規(guī)律,可以看岀由于對流換熱及內(nèi)部材料LⅠ220及各層材料幾何及物理性能數(shù)據(jù)源于文獻極差的導(dǎo)溫性能,外邊界節(jié)點溫度很高。通過數(shù)次疊〔7]獲得的熱防護內(nèi)系統(tǒng)典型位置處溫度變化規(guī)律代計算獲得確保內(nèi)部冷結(jié)構(gòu)在使用溫度范圍內(nèi)時所如圖5所示。圖5顯示了外表面和距外表面9mm、18需的防熱瓦厚度,由各種材料的密度計算得出單位mm、27mm及內(nèi)部冷結(jié)構(gòu)頂端在整個時間域內(nèi)的面積總結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1.168kg。1401080外邊界81006040270內(nèi)部冷結(jié)構(gòu)0500100015002000250005001000150020002500時間/s時間/s圖4外表面熱流邊界條件圖5防熱系統(tǒng)節(jié)點內(nèi)溫變化相容性、收皺性和穩(wěn)定性是數(shù)值離散方程計算統(tǒng)熱流降低且材料導(dǎo)溫性能増強,將得到較小壁面的3個基本數(shù)學(xué)要素。對于全隱式差分格式截斷誤溫度(T'"+1)2,若出現(xiàn)(1+1)2