温度交变环境下防热结构胶层厚度设计

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1、第30卷第4期航天器环境工程2013年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGn、『EERING421温度交变环境下防热结构胶层厚度设计李伟杰1，李小龙2(1．北京空间飞行器总体设计部，北京100094；2．中国航天标准化与产品保证研究院，北京100071)摘要：再入返回式航天器飞行过程中，在轨温度交变环境下防热结构胶接热应力一直是航天器可靠性设计的关注内容。文章以“中密度防热材料一硅橡胶一金属”的胶接结构作为对象，针对典型的低地球轨道温度交变环境，选取士100℃／5个循环环境作为分析条件，用ANsYsworkbench

2、建立了结构有限元分析模型，考察了不同胶层厚度对于结构热应力及热变形的影响。基于有限元计算结果、热应力理论及胶接工艺分析，给出了温度交变环境下防热结构的胶层厚度设计结果。该有限元模型分析方法可为防热结构热匹配特性研究和设计提供基础依据。关键词：再入航天器；防热结构；温度交变环境；热应力；热变形；胶层厚度中图分类号：V414．7：TG49文献标志码：A文章编号：1673—1379(2013)04一042卜05DOI：10．3969组issn．1673-1379．2013．04．0160引言防热结构的主要功能是防止航天器在返回地面过程中发

3、生过热和烧毁，保护舱内航天员的安全和设备的正常工作，因此它是再入式航天器的关键组成部分【1‘3J。航天器外表的大面积防热结构一般采用密度相对较低的防热材料(或称低密度防热材料)整体成型，利用一定厚度的胶膜实现低密度防热结构与内部承力壳体结构的连接。另外，根据总体任务需要，航天器表面有多种开口结构，为此需要在开口周围设计边缘防热环，而开口采用防热盖进行防护，防热环与防热盖一般采用密度相对较高的防热材料(或称中密度防热材料)设计为单独成型的零部件，利用硅橡胶胶接于主承力金属结构表面，形成“中密度防热材料一硅橡胶一金属”的结构形式。在防热

4、结构方案设计过程中，需要通过再入环境的热试验考核，以确定防热结构形式与防热材料厚度。此外，在轨温度交变环境下的结构热匹配特性同样需要合理设计。这是因为：防热结构与主承力结构由于材料基本属性的差异，尤其是热膨胀特性，温度交变环境下结构易产生较大热变形甚至防热结构的开裂。为此，防热结构与金属结构的胶接设计成为减缓结构热应力的重要辅助手段。科研人员常采用温度交变试验以考察防热层与金属的热应力匹配特性。考虑到温度交变试验成本高、周期较长，仿真分析成为验证防热结构设计正确性的可行途径之一。科研人员广泛采用各种烧蚀防热仿真分析专用工具开展再入环

5、境的防热结构烧蚀行为研究，但应用有限元仿真分析开展温度交变条件下防热结构热匹配特性的研究相对较少【4。7J。本文以某再入航天器防热结构作为研究对象，采用有限元仿真分析工具考察交变温度条件下3种胶层厚度的防热结构热应力及热变形。结合热应力理论及胶接工艺，综合分析胶层厚度对于结构热应力及热变形的影响，以确定温度交变条件下胶层厚度的设计值，并提出防热结构热匹配特性研究的工作思路。1结构建模1．1有限元模型以某航天器平板形式的防热结构(图1)作为研究对象。该结构主要由防热结构、粘接胶层、金属底板3部分组成，其中防热结构尺寸为350mm×35

6、0mm×30mm：金属J芪板尺寸为350mm×350mm×2mm；胶层长宽尺寸为350mm×350mm，其厚度有0．5mm、1．0mm、1．5mm三种。由于研究对象为对称结构，可取其1／2进行建模，胶层位收稿日期：2013—04—19；修回日期：2013—07—16基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：李伟杰(1981一)，男，博士学位，研究方向为航天器结构设计与分析。E．mail：1wjhit@126．com。航天器环境工程第30卷置网格局部加密，网格化的模型见图2。1^¨‘。“氍¨}-图1半板结构试验件Fig．1StI．uct

7、ureoftheplatespecimen一(b)胶层局部加密网格图2平板结构模型的网格Fig．2Meshoftheplatespecimenmodel1．2材料性能模型涉及的3种材料的性能如表1所示，其中未特殊说明的均为室温条件下的性能，计算时直接予以采用。高温及低温下材料性能的数据有限，因此本文计算结果仅作为考察变化趋势的参考。表1材料性能Table1Materialspropenies热导率(I盯①～100℃)／比热容／线膨胀系数材料密度／(g·cm一3)拉伸模量／GPa泊松比(RT～100℃)／厚度／mm(W．m～·K．1)

8、(J·蚝～-K．1)(×10‘6K．1)71(RT)金属底板2．70．32118．092423．5265(100℃)防热结构1．40．0080．300．3110020．O30胶层1．00．0005O．480．21700230．Ot子注