接触热阻对疏导式热防护结构防热效果的影响

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1、航空学报ActaAeronautic8etAstrOnautjcaSinicaOct．252012VoI．33No．101834—1841lSSN1000一6893CN11—1929／Vhtto：／／hkxbbuaaeducnhkxb《萤buaa．edu．cn文章编号：1000一6893(2012)lO—1834一08接触热阻对疏导式热防护结构防热效果的影响刘冬欢*，尚新春北京科技大学数理学院应用力学系，北京lo0083摘要：采用内置高温热管的疏导式热防护结构是一种新型高效的热防护方式，热管与高温复合材料之间的接触热阻(TCR)对防热效果有重

2、大的影响。首先给出了一种疏导式热防护结构的计算模型，进而采用间接耦合的方法建立了由接触热阻引起的热力耦合问题的计算格式，在此基础上对不同预留间隙条件下的热防护结构进行了热力耦合分析，重点考察了接触热阻对其防热效果的影响。研究结果表明，采用预留装配间隙的方法可以有效降低结构的应力水平，但同时使得界面接触热阻增加，从而使得结构驻点温度升高，因此在采用预留间隙设计时必须在考虑界面接触热阻的条件下从结构强度和温度两方面对结构进行安全性评估。关键词：疏导式热防护；接触热阻；高温热管；热力耦合；预留间隙中图分类号：V414．9文献标识码：A疏导式热防护是

3、一种依靠内置于结构中的高温热管，并利用热管高效的相变传热能力将驻点附近高热流密度区的热量疏导至低热流密度区，从而实现热防护的一种半主动式热防护方法[1]。疏导式热防护可重复使用性好，特别适用于局部加热程度严重而其相邻区域加热程度较轻的飞行器结构，比如近空间高超声速飞行器的前缘结构往往非常尖锐，这样在实现了高升力低阻力的同时也带来了极其严重的局部气动加热问题，在前缘驻点附近热流密度甚至高达10MW／m2，随着与驻点距离的增加，热流密度又急剧下降，特别是在机翼背风面的广大区域热流密度相对较低。疏导式热防护结构的重要组件是内置的高温热管。关于高温热

4、管在高超声速飞行器翼前缘热防护上的应用研究最早要追溯到1971年SilVer—stein的工作‘21，他给出了疏导式热防护的概念设计，并通过参数化研究证明了此种设计的可行性。在Silverstein开创性工作的鼓舞下，麦道航空公司及NASAMarshall航天飞行中心的工程师们比较研究了4种不同的翼前缘热防护结构[3。4]，再次验证了疏导式热防护结构的可行性。Camarda和Masek[51则从试验和理论两方面对比研究了疏导式热防护结构的具体防热效果。Jang[63进一步研究了疏导式热防护在降低航天飞机翼前缘驻点温度上的效果。Wojcik和C

5、lark[73设计、制造并试验研究了不同的热管管材和吸液芯构型对热管性能的影响，Rovang和Juhasz[81验证了内置钾工质高温热管C／C复合材料热防护结构的有效性，Glass等[9]试验研究了内置锂工质热管C／C材料热防护结构的工作性能，研究结果表明热管在工作过程中处于高度的等温状态，同时此种热防护结构和主动冷却型热防护结构相比，能使翼前缘收稿日期：2011—11—16；退修日期：2011—12—27；录用日期：2012—02—27；网络出版时间：2012—03—2010：59网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detail

6、／111929．V．20120320．1059．004．html基金项目：国家自然科学基金(10872104，10772024)；中央高校基本科研业务费专项资金(FRF-BR．10．007A，FRF．As．09—001A)*通讯作者．Tel．：010—62332901E—maif：¨udh@uslbedu．cn引用格武lL{uoH．S晒ngxc．E君ectoltherma

7、contactres{s{anceont№pe哟黼anceolheat·讲pe·cooledt№rmalprotectlonstfuctureS．ActaAeronaul

8、

9、caetAsnonaufIcaslnIca．2012．33(10)：1834—1841．胡冬欢．尚新春．接触热咀对疏导式热I菇护结构特热效果的影响航空学报，28{2，33t{O)：{834—1841．刘冬欢等：接触热阻对疏导式热防护结构防热效果的影响的重量减轻50％以上。Steeves等LI叫研究了在高超声速飞行器金属翼前缘结构中采用高温热管的可能性，并建立了一套疏导式热防护结构设计与安全评估的简单方法，该方法涉及到翼前缘结构的气动热力学环境计算、稳态平衡温度及热应力计算、高温涂层的影响分析、高温热管传热极限的影响分析以及其他与热防护结构防热

10、效果密切相关的研究课题。Bai等[11]综述了国内外针对疏导式热防护在理论分析、试验研究和数值模拟方面的主要结果。孙健和刘伟强[12]研究了在前缘内嵌高导热材料的疏