一种空天飞行器热防护系统快速分析与设计方法技术方案

一种空天飞行器热防护系统快速分析与设计方法，包括三个主要模块，即：一维非稳态热传导计算模块、热防护系统厚度优化模块、热防护系统结构内壁节点坐标确定及结构总重计算模块，以及一个热防护系统分析与设计程序结构说明模块。该方法在一维非稳态热传导计算过程中突出了热防护系统设计的快速性特点，其高效、准确的厚度优化过程以及详细的热防护系统结构内壁节点坐标确定及结构总重计算过程为非专业人士进行飞行器热防护系统分析与设计提供了便利的工具。

【技术实现步骤摘要】
一种空天飞行器热防护系统快速分析与设计方法
：本专利技术涉及空天飞行器热防护系统分析与设计领域，特别涉及一种基于有限差分法的非稳态热传导分析和热防护系统尺寸优化设计方法。
技术介绍
：空天飞行器在服役环境中受严重的气动加热作用，表面气动加热产生的高温，以及在结构内部引起的热应力严重威胁结构安全。为应对结构高温及热应力作用，在空天飞行器结构设计中，需大量采用耐高温的热结构及热防护系统(ThermalProtectionSystem，TPS)。TPS由隔热层、防热层以及承力结构三部分构成。这些结构在飞机服役过程中受气动力、气动热、惯性力、振动和噪声等复杂载荷及环境综合作用，要进行这类受热结构的设计，常规飞机结构的设计方法已不能满足要求，需要制定针对这类结构特点的结构设计顶层文件。国内外针对TPS的关键技术都做了大量的研究。国外从上世纪五、六十年代起，对气动加热的计算方法做了大量理论性研究，目前主要集中在使用热防护的结构形式的工艺、材料和试验的研究。Martin等通过隐式一维有限元模型比较了10种不同的热防护结构，在可重复使用飞行器再入过程中一系列气动热载荷下的比较分析，得出防热毡式结构在绝大多数使用范围内都有最轻的重量，陶瓷防热瓦和金属TPS具有相近的重量。Daryabeigi分析了热力耦合分析的适用范围，得出了耦合分析的重要性随温度的降低、载荷速率的增加和内部耗散的增加而增加。国内研究内容主要集中于气动热的计算、气动外形设计和具体防热结构的研究，很少有对新型空天飞行器方案的设计研究和新型的防热结构构型设计。魏鑫、马忠辉通过对几种被动热防护结构形式进行分析计算，给出了不同热防护形式的防热效果比较结果。在热防护机理研究方面，闫长海提出了隔热效率的概念，马玉娥推导了热力耦合的计算格式。由于流场与传热的模型计算量大，所以多数采用一维和二维模型，如尹凯军对防热瓦式热防护系统的研究；赵玲对盖板式热防护结构的建模分析，李凰立、苏大亮采用简化的二维模型计算了热流密度、温度场和热应力。实际的热防护问题中，热载荷除了向结构内部的传递外，由于飞行器不同部位热载荷的巨大差异，横向的热载荷传递也十分重要。因此在复杂的热载荷或主动冷却条件下，三维的模型能够更真实的反映热载荷和机械载荷的传递和分布。对于热防护系统的设计过程，三维分析十分必要。然而，在空天飞行器设计概念设计阶段需突出快速性要求，作为空天飞行器设计模块中重要的一部分，快速分析设计也是热防护系统设计需研究的重点。针对飞行器整机热防护系统快速设计国内外学者开展了大量的研究工作。Engel和Praharaj采用经过验证的工程方法计算飞行器表面特征点的热流密度，结合这些特征点热防护材料的一维温度响应，实现了对热防护系统的快速设计；并开发了相应的软件平台。为了满足航天飞行器概念设计阶段TPS设计和分析能力McGuire、Chen、Bradford、Coward等基于气动力/气动热分析和热防护系统设计/优化两个模块，发展了TPSsizer、HYAAT、Sentry、TCAT等热防护系统自动设计工具。但上述方法存在不能实现热防护系统方案选择自动化、需要使用其他软件进行分析等不足。国内目前主要是通过数值方法对特定TPS进行分析设计，还没有针对飞行器整机热防护系统设计的成熟工具软件和方法。
技术实现思路
：本专利技术的技术解决问题：综合国内外研究现状，本专利技术旨在对现有的热防护系统分析与设计方法和理论进行综合整理和对比研究，突出空天飞行器概念设计阶段的快速性要求，形成适合空天飞行器快速热防护系统分析和快速设计理论和方法。同时，发展和编制快速热防护系统分析与设计程序一套，该程序能够计算热防护系统材料表面的瞬时深度热传导，以便在上升和再入阶段保护飞行器；该程序也可以整合至空天飞行器总体设计的快速设计平台内，提高整个概念设计过程的速度和自动化水平。本专利技术的技术解决方案：一种空天飞行器热防护系统快速分析与设计方法，其分析过程包括内外循环：其中，内循环为一维热传导分析计算过程，而外循环为优化设计过程。整个快速分析与设计方法包括四个模块，即：一维非稳态热传导计算模块、TPS厚度优化模块、TPS结构内壁节点坐标确定及结构总重计算模块以及TPS分析与设计程序结构说明模块。一维非稳态热传导计算模块：考虑飞行器表面传热机理，由有限差分格式求解。首先，飞行器表面传热机理如下。为方便描述，以光滑表面一维传热为例，在一个连续区域内其热量传递情况如图1所示：(1)由能量守恒定律表面热流之和为0，可得：qgw+qrad，w，nc+qrad，g-qrad，w-qw＝0表面温度Ts为热量达到平衡时的温度。此处假设Tgw≡Ts，忽略在滑流区域内可能存在的温度跳跃。(2)在高超声速飞行中，热量传递给飞行器表面主要通过三种物理过程实现：①第一种是气体往表面的热量扩散，即表面处的热流qgw。通常包括热传导，在热化学非平衡条件下质量扩散所引起热传递以及滑流产生的热传递。②第二种是由于非凸面效应，来自飞行器其它表面的热辐射所传递的热量qrad，w，nc。这种热传递可以通过一个假定或等效的辐射系数εeff来进行描述。它考虑了所涉表面部分的相互可见性，尤其是特征边界层的厚度，其局部决定了表面辐射热流qrad，w。在分析中，来自太阳的辐射加热忽略不计。③第三种是激波边界层内处于振动激发、离解和电力状态下的气体所产生的热辐射qrad，g。对于传统近地轨道再入飞行器，以及飞行速度v＜≈8km/s，飞行高度H＜≈100km的CAV来说，由于气体对流换热qgw占主导地位，qrad，g通常可以忽略不计。(3)飞行器表面通过两种方式散热：①出于冷却目的的表面辐射散热qrad，w，本文中通常表示为qrad：其中，ε为飞行器表面辐射系数；σ为Stefan-Boltzmann常数。②表面材料的内部热传导qw，下文用qcond表示。这是一种自然的热传导过程，其主要取决于外层结构的厚度，即本专利技术所提的TPS结构厚度。通常情况下，qcond远小于qrad。但为了得到热载荷的精确预测值，就必须考虑图1所示完整的热传递情况。本模块将重点探讨如何采用数值方法快速分析TPS材料中的热传导过程。考虑该飞行器热防护系统快速分析与设计方法需满足的快速性设计要求，本模块选取一维热传导有限差分格式求解，一维非稳态热传导方程如下：TPS外边界x＝0及内边界x＝L边界条件分别如下：其中，由于气体对流换热qgw占主导地位，有qconv＝qgw。需要指出，x＝0边界条件即为前文所述需满足的能量守恒定律，包括流场的对流换热qconv，表面高温产生的热辐射qrad＝εσTs4以及TPS材料热传导所吸收的热量qcond＝-kdT/dx。而x＝L边界处假设TPS结构内边界(机体表面)绝热。对上边界，考虑到边界条件(x＝0处)，使用向前差分法，可得：其截断误差为o(Δt，Δx)。对内部节点，采用中心差分法，可得：对内边界，考虑到边界条件(x＝L处)，使用向后差分法，得下式：建立上述所有节点的差分方程后，可以构造如下非线性方程组：……采用牛顿迭代法解上述方程组，第一步建立雅可比矩阵将问题转化成为如下公式所示的非线性方程组Ax＝b求解。其中，A为雅可比矩阵，x为时间节点n+1处的温度变化，且在时间节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空天飞行器热防护系统快速分析与设计方法，其特征在于主要包括以下三个模块：模块一：一维非稳态热传导计算模块，考虑飞行器热防护系统快速分析与设计方法需满足的快速性设计要求，选取一维热传导有限差分格式求解，一维非稳态热传导方程如下：

【技术特征摘要】
1.一种空天飞行器热防护系统快速分析与设计方法，其特征在于主要包括以下三个模块：模块一：一维非稳态热传导计算模块，考虑飞行器热防护系统快速分析与设计方法需满足的快速性设计要求，选取一维热传导有限差分格式求解，一维非稳态热传导方程如下：TP8外边界x＝0及内边界x＝L边界条件分别为，需要指出，x＝0边界条件满足能量守恒定律，包括流场的对流换热qconv，表面高温产生的热辐射qrad＝εσTs4以及TPS材料热传导所吸收的热量qcond＝-kdT/dx。而x＝L边界处假设TPS结构内边界(机体表面)绝热；对上边界，考虑到边界条件(x＝0处)，使用向前差分法，可得：其截断误差为o(Δt，Δx)；对内部节点，采用中心差分法，可得：对内边界，考虑到边界条件(x＝L处)，使用向后差分法，得下式：建立上述所有节点的差分方程后，可以构造如下非线性方程组：……采用牛顿迭代法解上述方程组，第一步建立雅可比矩阵将问题转化成为如下公式所示的非线性方程组Ax＝b求解；其中，A为雅可比矩阵，x为时间节点n+1处的温度变化，且在时...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪双，马远卓，许青，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32