RLV陶瓷热防护系统热分析模型研究

马忠辉等RLⅤ陶瓷热防护系统热分析模型研究文章编号:1004-7182(2003)03-0019-06RLV陶瓷热防护系统热分析模型研究马忠辉孙秦王小军杨勇(西北工业大学,西安,710072)(北京宇航系统工程设计部,北京,100076)摘要:应用于可重复使用运载器的陶瓷热防护系统具有多层结构、材料物理性能差异大、外边界具有辐射、对流换热等复杂內部结构及外边界特征,热分析涉及到复杂的气动热、温度场以及应力应变场的耦合分析。瞬态温度场分析是将各种分析过程耦合于一体的一个重要的中间环节,应用非线性全隐式有限差分方法研究陶瓷热防护系统瞬态温度场数值计算方法及细致计算步骤,建立了用于温度场分析及结构质量预测的一维热分析模型,获得了可资工程实践应用的数值算法体系以及有益的数值计算结论,对于提高热防护系统结构质量旳预测精度及深λ进行往返式航天飞行器结构优化设计都有较好的理论参考价值。关键词:重复使用运载器;陶瓷;热防护系统;瞬态温度场;隐式差分格式;热分析模型中图分类号:V250.1V435.14文献标识码: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中国煤化工Key Words: Reusable launch vehicle, Ceramic, TheCNMHGnSIent temperaturefield, Implicit finite difference scheme, Thermal model收稿日期痂数据8作者简介:马忠辉(1977-),女,在读博士生,主要从事飞行器设计研究导弹与航天运载技术2003年1引言态温度场高精度计算分析的目的就在于准确估算使往返于大气层内外,使航天/空天飞机遭受到大内部冷结构在使用温度范围内时的隔热层厚度气层内、外的所有外部环境的影响,尤其在上升和再涂入阶段受到严重的气动加热,因此必须采用热防护系统(TPS)。航天飞机轨道器的防热系统质量约占防热瓦轨道器总重的20%,超过以往任何载人再入飞行器有机胶的比率(水星飞船为1/12,双子星座飞船为1/7,阿波应变隔高垫冷结构罗登月舱为1/14)先进的空天飞机特别是单级入轨空天飞机对结构质量要求十分苛刻,有效载重比的高低将直接决定其竟争力。因此,提高热防护系统质图刚性陶瓷防热瓦分析模型量的估算精度,对于减少结构质量、实现热防护系统优化设计、提高运载器有效载重以及经济性等会起涂层到重要作用。目前,美国等先进航天大国都在致力于提高计算流体力学(CFD)对气动加热环境的预测精度,改进防热系统温度场瞬态响应分析方法,并将两柔性隔热毡个分析过程有机耦合在一起,提高热防护系统质量的估算准确度-。本文在借鉴已有的研究成果基有机胶冷结构础上,探讨具有多层结构、变物性,外边界具有辐射对流换热等特点的陶瓷防热系统瞬态导热过程的数图2柔性隔热毡分析模型值分析方法,建立应用于温度场分析及结构质量预测的热分析模型,以期获得对防热系统质量预测精度的改进。外边界2陶瓷防热系统数学分析模型及离散72化处理经过几十年的研制与应用,国外非金属防热系材料2到统已经有多代产品问世,由最初的刚性陶瓷防热瓦、柔性隔热毡发展到现代结构更为复杂的多层隔热系统,防热系统物理性能得到很大改善,但仍保持了基●7材料M本的层状结构。将真实结构进行简化得到的数学分内边界析模型如图1~2所示2。防热系统整体由不同厚度、物理性能差异显著的数层物质叠合而成,基本结构图3陶瓷防热结构离散化分析模型由外至内分别为表面涂层、隔热材料、粘胶以及内部中国煤化工题的数值计算方程,首冷结构。各层物理性能随防热系统的不同而改变,隔热材料可能由多层组成,为保证变形协调在刚性陶先义HCNMHG,沿热流传递的一维单瓷瓦和内部冷结构之间必要时应用应变隔离垫。上向坐标方向对模型进行单元划分,如图3所示。单元升/再入过程中防热系统经受巨大的气动加热,在平划分时必须在各层交接面处设置计算节点,使得层状结构在一个单元内具有相同的材料物理性能。根面一定范勇毁据度变化不大,热流由外向内传递故可简化为无热源的一维非稳态传热过程进行瞬据防热系统的多层特性以及各层厚度、功能差别较马忠辉等RLⅤ陶瓷热防护系统热分析模型研究大的特点,单元的细致划分分别在各层内进行,根据(5)结构特点、温度分布特征以及计算规模选取恰当的单元尺寸。边界节点位于气动加热外表面上,最外层由于单元的划分甚为细密,故可取T对x成分段线单元的厚度为其它单元的一半,内部各节点都位于性分布。当换热系数不均匀时,通常利用节点处的换单元的中点。考虑到内部冷结构具有一定的承热载热系数采用调和平均法计算界面处换热系数,并考能力,它承载能力的大小将影响到防热系统温度场虑到两种介质之间存在热阻,此计算表达式为特点,本文将内部冷结构作为最后一层结构位于防=R-1(+-T热系统的底部,內边界节点位于冷结构边界处。3内部热传导分析及差分方程建立R1(T+-T+)i=2,4,…,(6)在直角坐标系中无热源一维非稳态导热问题的式中R为热阻系数取值为控制方程为(7)(1)(2-1)k2k当节点i在边界上时1,其余情况下为0;h,为式中p,c,k及T分别为密度、比热容、热传导系数两介质之间的热阻最终可得一维隐格式的数值离及温度。散化计算方程为高超音速气流使防热系统靠近外边界区域温度wc)+(T+-T)△=[R-1(T极高,在整个时空研究域内温度、大气压变化剧烈(8)这使得材料的物理性能成为温度及压力的函数。结将上式时间增量Δ规则化,经重新整理后即得全隐合物理模型中各单元材料物理性能不同这一特点,本文选用热平衡法对控制方程进行离散化处理,建式差分格式的递推计算公式:立全隐式差分方程。在Δ时间内传入控制体△区域R1T+1+()+14+R;1+内的净热量等于Δt时间内Δ区域内物质能量的改变,对控制体Δ在t到t+△的时间内作积分得R-1)T"+1-RT"+1=(c)+1元Tpc=dxdt=2,4,…,N;n=0,1令)?1元+R1+R-1,并将空△oc(T+4-T)dx间离散段写作矩阵形式,最终得:01TT7n+1ax/x+△b考虑到防热系统的层状结构特征,取控制体内T及关于x为阶梯式变化,故同一控制单元内pc关于x均为常数,且分别为计算节点的数值,于是有()2+T2+a1TT)dx中国煤化工CNMH(10)(pc)+(T+4-T)△取对时间作隐式阶跃变化,即在t到t+△时刻(P)1T+ax+1T3*+1的变化用t+△的数值表征,即为数导弹与航天运载技术2003年4边界条件分析换热系数是表面催化度的函数,如果各TPS结构和高超音速流场中在无烧蚀的可重复使用热防护材料的催化度变化很大,CFD必须对高催化度和低系统的外表面发生化学反应,防热系统外表面与流催化度的表面都进行计算场发生能量交换这些构成流场CFD计算的边界条若已知流体恢复温度T和对流换热系数Cr,采件同时决定了防热系统的外边界热流条件在气流用热平衡法在边界单元建立离散化方程为与TPS边界处能量平衡方程为[(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)若已知外边界热流q=f(t),即第2类边界条件,边式中k为气体換热系数;7为运载器表面法向方界单元离散化方程为向;D为漫射系数;h为热涵;s为气体种类;σ为斯忒(PC1)+141+MR11T+1-△R1T2潘-博尔兹曼常数;ε为壁面黑度;T为壁面温度(C1)+4T1+q4t-Fu1E1(T1+)4△t(15)qond为换热热量内边界节点可以通过辐射或对流换热向防热系统外进行气动热分析时,假设qm=0,即TPS与气传递热量,分析时假设内边界为绝热条件h3/流之间没有热传导,能量方程简化为0,获得温度场的保守值,其离散化方程为MRx21Tx1+(c)x1△+△RN21)Tx1T(12))w1△T(16)在分析TPS内部热传导时计算获得qm,其能量平内部节点及边界节点离散化方程构成了防热系衡方程为统换热问题封闭解的数值计算离散化方程组,在C7(Tm-T)=e(T)T2+gm(13)定边界条件及初始条件下可以获得防热系统沿时间式中Cr为对流换热系数;T为恢复温度流变化的温度场。在分析过程中将模型中的各层材由于气动热分析及防热系统內部热传导分析过料的物理性能编写成单独模块,计算各节点的物理程中对q。m处理的不同需要进行迭代计算,以获得性能,由于材料的物理性能为温度、压强的函数,节防热系统导热分析的外部边界条件。但在文献[9]点温度、压强一旦改变就需要重新计算在外边界节中已证明一次选代计算的误差只有3%左右,因此点离散化方程中存在温度的4次方项,在计算过程中在没有特殊要求的情况下,可以直接应用壁面辐射将辐射热量作为常数放在等式右端。用前一时间段平衡时的对流换热系数而无需进行迭代计算。这也的温度计算各节点的物理性能及壁面的辐射热量,说明在研究防热系统问题时可以分别从提高气动热作为初始值代入后一时间段,获得后一时间段各节分析和防热系统瞬态温度场分析以及结构优化两方点温度后重新求解各节点物理性能及壁面辐射热量面予以研究回代入方程,进行多次迭代计算,直到两次计算获得对流换热系数是流体流动特性和表面特性的函的温度差在允许误差范围内。当防热系统内某节点数,但对于没有烧蚀的表面对流换热系数对流体特温度达到其极限温度时,增加隔热层厚度重新进行性改变的敏感性要比壁面特点改变的敏感性强得分中国煤仁其极限值之内根据各层多对于给定的再入点,除非表面特性有巨大的改材CNMHG变,对流传导系数和恢复温度几乎不改变。除非要求进行特别精确的计算,在分析瞬态温度场及设计和5算例及数值解收敛性分析计算没有烧蚀发生的TPS的质量时对于辐射平衡应用本文分析方法对刚性陶瓷防热瓦LI2200的壁面对鸫舾数可以直接应用这样增强了同进行了计算分析,外边界为典型的升力体形式气动飞行条件下各种热防护系统的可比性。由于对流布局的可重复使用运载器再入阶段迎风面的热流条马忠辉等RLⅤ陶瓷热防护系统热分析模型研究件,如图4所示。內部冷结构为αr-蜂窝结构。温度变化规律,可以看岀由于对流换热及内部材料LⅠ220及各层材料几何及物理性能数据源于文献极差的导温性能,外边界节点温度很高。通过数次叠〔7]获得的热防护内系统典型位置处温度变化规律代计算获得确保内部冷结构在使用温度范围内时所如图5所示。图5显示了外表面和距外表面9mm、18需的防热瓦厚度,由各种材料的密度计算得出单位mm、27mm及内部冷结构顶端在整个时间域内的面积总结构质量为1.168kg。1401080外边界81006040270内部冷结构0500100015002000250005001000150020002500时间/s时间/s图4外表面热流边界条件图5防热系统节点内温变化相容性、收皱性和稳定性是数值离散方程计算统热流降低且材料导温性能増强,将得到较小壁面的3个基本数学要素。对于全隐式差分格式截断误温度(T'"+1)2,若出现(1+1)2