[发明专利]一种整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法

说明书

本发明公开一种整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法，包括：测量气凝胶隔热层常压、不同温度的热物性参数；绘制气凝胶隔热层的热导率与温度之间的关系曲线建立其每一分段的带有修正系数的热导率与温度关联式；在不同气压条件下开展对整体式TPS的电弧风洞试验，测绘外防热面板的表面温度随时间变化的的表面温升曲线并测绘内辅助面板或金属承载板背面的第一温升曲线；根据电弧风洞试验的试验条件开展仿真计算，绘制金属承载板背面的第二温升曲线；对比相同气压条件下根据电弧风洞试验测绘的第一温升曲线和根据仿真计算绘制的第二温升曲线以通过调整修正系数调整以调整气凝胶隔热层的热导率。本发明可获得准确的气凝胶隔热层的热导率。

技术领域

本发明涉及热防护结构技术领域。更具体地，涉及一种整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法。

背景技术

高超声速飞行器长时以高马赫数在大气层内飞行，需要进行热防护设计。为保证热防护方案设计满足总体指标要求，需要根据热防护材料热物性参数开展热防护层厚度、重量分析。如图1所示，整体式TPS(热防护结构)包括外防热面板1、气凝胶隔热层2、内辅助面板3、胶层4和金属承载板5，其中，气凝胶隔热层2包括刚性隔热材料21和缝合纤维22。整体式TPS为多层-多孔类缝合夹层式热防护结构的防隔热一体化设计，通过胶层4与金属承载板5粘接，实现气凝胶隔热层2隔热、外防热面板1和内辅助面板3与隔热材料传载、金属承载板5承载。由于其具有结构力学性能好，结构形式简单，热桥效应小，防热/隔热性能优异特点，其在典型高超声速飞行器外防热结构上得到应用。由于气凝胶隔热层2的材料为多孔半透明介质，存在透射、辐射、气体热传导、固体热传导等多种传热方式，且传热特性受低气压现象影响较大，给气凝胶隔热层2的热导率的测量带来很大困难。气凝胶隔热层2的复合材料热导率极低，室温约0.02W/(m.k)，高温约0.08W/(m.k)，传统稳态法/瞬态法测量误差对热导率的影响较大，相应的，给热防护结构设计、评估带来很大困难。

外表面1000℃，1000s环境条件下，3mm钛合金属承载板5背面与侧面绝热，保证金属承载板5背面温升小于200℃，当气凝胶隔热层2热导率为0.04W/(m.k)与0.08W/(m.k)时计算得到需要的热防护材料厚度分别为21mm与35mm，相差约70％。由此可见，获得整体式TPS的合理准确的热导率对提高热防护结构设计精度具有重要意义。

因此，需要提供一种可获得准确的气凝胶隔热层的热导率的整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可获得准确的气凝胶隔热层的热导率的整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法，包括如下步骤：

测量气凝胶隔热层在常压、不同温度条件下的热物性参数，包括密度、比热容和热导率；

绘制气凝胶隔热层的热导率与温度之间的关系曲线，对该关系曲线进行分段，将每一分段的视为直线，建立每一分段的带有修正系数的热导率与温度的关联式；

在不同气压条件下开展对整体式TPS的电弧风洞试验，测绘不同气压条件下整体式TPS中外防热面板的表面温度随时间变化的的表面温升曲线并测绘不同气压条件下整体式TPS中内辅助面板或金属承载板背面的温度随时间变化的第一温升曲线；

根据整体式TPS中气凝胶隔热层测量的热物性参数和其余部件设置的热物性参数对整体式TPS进行仿真建模，并以电弧风洞试验获得的外防热面板表面温度作为边界条件，设定整体式TPS四周及背面绝热，利用一维非稳态导热微分方程开展不同气压条件下的仿真计算，仿真计算时间与电弧风洞试验时间相同；绘制金属承载板背面的温度随时间变化的第二温升曲线；