热防护设计分析技术发展中的新概念与新趋势.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252015V01．36No．92981．2991ISSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CFI热防护设计分析技术发展中的新概念与新趋势杨强，解维华*，彭祖军，孟松鹤，杜善义哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨150001摘要：热防护材料／结构是实现临近空间飞行器高速飞行的一项关键技术，近年来一些新的设计与分析方法不断涌现。本文对这些新的

2、设计与分析方法进行了论述，综合分析后可以看出：热防护材料设计开始从原子、分子尺度出发，根据使用需求设计材料，并发展主动防护与控制环境技术；热防护结构设计在原有防热／承载一体化设计基础上，向多元化以及多功能一体化方向发展，同时积极发展新机制热防护概念设计；热防护分析方法更加注重复杂真实服役状态下多尺度、多物理场及非确定性的精细化分析。这些新概念和新技术有望给热防护技术带来革命性的进步。关键词：热防护；材料设计；结构设计；新概念；新技术中图分类号：V414．9文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015

3、)09—2981—11在临近空间众多的飞行器中，高超声速武器具有高超声速、高机动的远程精确打击能力，因此已成为世界研究的热点。2013年，近空间远程高超声速巡航飞行器掀起一轮新的热潮。洛克希德·马丁公司高调宣布研发“黑鸟之子”SR一72高超声速飞机，强调高超声速飞机的新隐身能力；波音公司也在推进“Manta”高超声速飞机项目；DARPA提出了“XS一1”试验空天飞机的倡议。近空间(有氧环境)、长时间(1～2h)机动飞行、可重复使用高超声速(Ma≥5)飞行器对现有材料体系和结构概念在轻质强韧化性能、结构效率、

4、散热效率、耐温性、抗氧化性以及耐久性等方面都提出了严峻的挑战。单纯依靠现有的材料与结构概念逐渐显示出“力不从心”之态，发展材料／结构的新概念势在必行。当前在热防护材料／结构发展中，逐渐涌现出按需设计、主动控制与利用环境、多功能设计等新设计与结构理念，以及多物理场、多尺度、非确定性相结合的分析方法，这些新概念与方法成为解决“新热障”问题的有效途径。本文将简要概述国内外学者在新型热防护材料／结构概念、设计与分析方面的研究工作，总结归纳发展趋势。1热防护材料／结构设计1．1材料设计面临“新热障”问题，热防护材料设

5、计理念的创新是出发点。从目前国际上的发展趋势看，当前热防护材料设计的发展主要表现出以下三大趋势：1)从被动承受到主动防护、控制环境技术方向发展。常规的防热材料设计是通过设计材料的微结构、组分和表面状态，来提高耐高温和抗氧化能力。近年来，国内外许多研究部门开始探索从控制环境物理效应出发，利用主动控制手段，减小进收稿日期：2014—09．17；退修日期：2015-04．01；录用日期：2015-05—18；网络出版时间：2015—05-2816：00网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail

6、／11．1929V．20150528．1600．003htmI基金项目：国家自然科学基金(11272107，10902030，91216301)*通讯作者．Tel．：0451—86402343E-mail：michael@hit．edu．cn载角格武iYango．XieWH。PengZJ．etaLNewconceptsandtrendsindevelopmentofthermalprotectiondesignandanalysistechnology￡J]．ActaAeronauticaetAstrona

7、uticaSinica．2015，36(9)：2981-299I．杨强．解维华．彭祖军，等热防护设计分析技术发展中的羲概念s耪趋势￡J]．航空学撮．2015。36(9)：2981-29912982航空学报Sep．252015V01．36No．9人材料的净热量，从而达到保护材料的目的。NASA在FAP(FundamentalAeronauticsPro—gram)中关注了一种先进的多功能烧蚀材料，通过在材料中添加辐射加热抑制剂来控制热量的进入。Nieto等[13采用放电等离子烧结方法制备了石墨烯／碳化钽复合材

8、料，其中微裂纹、晶界及疏松的氧化物都是氧扩展的路径．而纳米石墨烯片(GrapheneNanoPlatelet，GNP)可通过以下几方面的机制来提高材料的抗氧化性能(如图1所示)：具有较高的热导率，能够迅速将表面集中热流分散到内部结构，降低温度梯度，降低细观结构应力并起到桥接作用，阻止裂纹形成；密封晶粒的边界，阻止氧分渗入；将渗入的少量氧形成的局部氧化物还原．进而将氧化层厚度降低60％。ta)Heatdiffusi