空天飛機(jī)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料的仿生研究.pdf

1、本文首先介紹了以美國(guó)為主的國(guó)外空天飛機(jī)可重復(fù)使用熱防護(hù)系統(tǒng)(Reusable Thermal Protection System，RTPS）的發(fā)展概況，包括該系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)、溫度區(qū)域的劃分、防護(hù)的措施、材料的選用、兩代RTPS的對(duì)比以及X-37B采用的新理念、新材料等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)空天技術(shù)的特點(diǎn)和水平，探尋我國(guó) RTPS技術(shù)的發(fā)展模式。據(jù)此，本研究結(jié)合該系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，歸納出RTPS的相關(guān)需求，并來(lái)確定本課題的研究?jī)?nèi)容和技

2、術(shù)路線。
　　根據(jù)空天飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)的特殊需求，本研究運(yùn)用仿生的理念，提出了適用于低溫、中溫和高溫條件的多種結(jié)構(gòu)模型。然后，選用適當(dāng)?shù)脑牧?，運(yùn)用纖維纏繞、模壓粘結(jié)、機(jī)械加工、電切削、擴(kuò)散焊、電沉積、電阻焊、纖維編織等各種工藝手段成功實(shí)現(xiàn)了五種樣品的制備，通過(guò)對(duì)它們的力學(xué)和熱學(xué)性能的測(cè)試與分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。
　　根據(jù)東方龍虱鞘翅的微觀結(jié)構(gòu)，提出了雙向方形管的碳纖維－芳綸紙的仿鞘翅結(jié)構(gòu)。然后，采用纖維纏繞和模壓粘結(jié)成型的方

3、法制備了相應(yīng)的樣品。力學(xué)測(cè)試表明，這種夾層結(jié)構(gòu)材料的抗壓能力為同密度的芳綸紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料的1.83倍。水浴測(cè)試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)材料隔熱性能優(yōu)良。此外，該結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)及熱學(xué)FEM分析結(jié)果與測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性。
　　在建立一種簡(jiǎn)單規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)模型之后，本研究采用電阻焊和電沉積的綜合手段實(shí)現(xiàn)了金屬線條格柵樣品的精確制備。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，樣品力學(xué)性能的數(shù)值非常集中，相對(duì)于同類型的泡沫金屬，它力學(xué)性能的離散度明顯要小得多

4、。由于結(jié)構(gòu)規(guī)則、簡(jiǎn)單，金屬線條格柵材料的力學(xué)性能可以通過(guò) FEM分析快速預(yù)測(cè)。在基體材料和密度相同的多孔金屬中，鎳線條格柵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度屬于中等水平。
　　通過(guò)改進(jìn)金屬線條格柵，用金屬管代替金屬線條，設(shè)計(jì)出規(guī)則的金屬管制格柵結(jié)構(gòu)的模型，并采用電切削、機(jī)械加工和電沉積的綜合方法成功實(shí)現(xiàn)了樣品的制備。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)規(guī)則的金屬管制格柵樣品不僅力學(xué)性能數(shù)值比較集中，而且它的比強(qiáng)度提高顯著。與金屬線條格柵相比，它的抗壓比強(qiáng)度提高了5

5、2％。金屬管制格柵力學(xué)性的FEM分析也同樣方便、快捷。在基體材料和密度相同的多孔金屬中，鎳管格柵材料的強(qiáng)度屬于中上水平。
　　通過(guò)對(duì)蓮蓬結(jié)構(gòu)的觀察、抽象和組合，建立了蓮窩(蓮蓬中用于容納蓮子的部分)偶合結(jié)構(gòu)的模型，并采用機(jī)械加工、電阻焊和電沉積的綜合手段進(jìn)行了多孔金屬樣品的制備。力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明這種樣品在結(jié)構(gòu)和性能上存在一些缺陷，并且存在缺陷的區(qū)域可以通過(guò) FEM分析確定了，改進(jìn)方案也可以相應(yīng)得到。模型結(jié)構(gòu)和加工工藝的略微變化，使

6、得改進(jìn)型樣品也順利實(shí)現(xiàn)了制備，達(dá)到了預(yù)期的效果。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，因?yàn)榧嬗虚_(kāi)孔和閉孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，所以這種金屬結(jié)構(gòu)材料既具有良好的主動(dòng)散熱性，又具有很高的力學(xué)性能。在同類型的多孔金屬中，該多孔金屬比強(qiáng)度處于優(yōu)等水平。此外，熱學(xué)分析表明該結(jié)構(gòu)在單面受熱、內(nèi)腔通風(fēng)時(shí)，具有均勻的導(dǎo)熱性和優(yōu)良的主動(dòng)散熱性。
　　通過(guò)分析X-37B頭錐的材料種類、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分片布置的特點(diǎn)，提出六邊形拓?fù)浞绞胶涂妆诜涓C單元結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)單元結(jié)構(gòu)的梯度設(shè)計(jì)、C-SiC-