基于热可靠性的热防护系统纤维隔热材料耦合热分析与设计方法研究

纤维隔热材料重量轻、耐高温、隔热性能优异，已日益成为热防护系统最具应用潜力的隔热材料。传统的确定性方法已经不能满足多种传热模式共轭耦合、多种不确定性因素共存的气动服役条件下纤维隔热材料的热分析设计要求及服役安全性要求，本项目根据可重复使用飞行器热防护设计特点，分析不同热可靠度表征方法的相互关联与适用性；针对纤维隔热材料传导/辐射耦合传热机制，利用非线性优化技术反演材料的热物理及辐射参数，采用小样本实验与贝叶斯估计相结合给出材料热性质的统计分布，分析随机热参数之间的相关性；将蒙特卡洛方法与拉丁超立方抽样相结合对材料的热响应过程进行概率建模，讨论材料温度响应的统计特征、随机输入参数的敏感性及安全因子与可靠度的关系；采用带有概率充分因子的连续确定性优化方法实现对纤维隔热材料厚度的可靠性设计。本研究将进一步拓宽热防护材料的分析设计理念，为定量评估服役过程中的风险提供重要的技术储备。

纤维隔热材料重量轻、耐高温、隔热性能优异，已日益成为热防护系统最具应用潜力的隔热材料。传统的确定性方法已经不能满足多种传热模式共轭耦合、多种不确定性因素共存的气动服役条件下纤维隔热材料的热分析设计要求及服役安全性要求，本项目根据可重复使用飞行器热防护设计特点，在纤维隔热材料热性能参数的统计分布表征、热响应的概率建模及敏感性分析等方面开展创新性的理论与试验研究，在此基础上实现对纤维隔热材料尺寸的可靠性设计。研究结果表明在相同的厚度和热载荷安全因子条件下所计算得到的相同位置的失效概率相差较大，有些位置两种状况下失效概率值相差近3个数量级。在不同温度极限下的失效概率均随着相关系数的增加而增加，当温度极限为470K时增加近15%。敏感性分析表明HTP变量组、初始温度和试样厚度对热输出的一阶效应和总效应的影响最大。质量控制是降低响应可变性的最有效方式之一，对材料的上表面发射率进行±1σ质量控制可以将失效概率降低一个数量级，对气动热流和材料的散射系数进行同样的质量控制失效概率将降低4-5倍。大部分情况下，增加10%均值比质量控制在-2σ水平及减小10%的变异系数更能降低失效概率。三项措施联用是最有效的方法，在当前的研究范围内可以将平均温度降低96-114 K，而当失效概率在10-2水平时，可以将失效概率降低两个数量级。同时也说明，在相同的失效概率水平下，通过质量控制可以明显降低同厚度下材料的密度或者同密度下材料的厚度，最终结果将直接降低材料的设计重量。本研究将有助于进一步拓宽了热防护材料的分析设计理念，为定量评估服役过程中的风险提供重要的技术储备。在本自然科学基金青年项目的支持下，按进度完成了所有相关的研究内容，目前发表学术论文共10篇，其中SCI论文7篇，EI及会议论文3篇，按计划实现了研究目标。