刚性陶瓷瓦缝隙流动-传热-结构多场固耦合分析方法研究

The rigid ceramic tiles are widely used in hypersonic vehicles, especially, in reusable hypersonic vehicle. With the materials developments, the performance and limited temperature are increasing gradually, ceramic tiles have a broad application prospect. The ceramic tiles are laid to form array on the body surface of the hypersonic vehicles. The Gaps between the ceramic tiles is needed to account for thermal expansion, on the other hand also can coordinate deformation under load between the unit block. In this research, a fluid-thermal-structure coupled method is investigated for the gaps between the ceramic tiles. The research findings can be used to the thermal protection system design of the ceramic tiles, also can be extended to the others protection systems design of the hypersonic vehicles. The related research will as our country’s development strategic of hypersonic vehicle does the basic research and technical reserves.

刚性陶瓷瓦是高超声速飞行器，特别是可重复使用高超声速飞行器大面积区域广泛采用的一种热防护结构形式，具有防隔热效果良好、轻质、热膨胀率小、可重复使用等优点，随着相关材料性能的不断提高，其温度使用条件越来越高，基本能够满足各类高超声速飞行器机身部位防隔热指标要求，具有广泛的应用前景。刚性陶瓷瓦以阵列的形式敷设于机体表面的，因此块与块之间的缝隙是不可避免的。该缝隙一方面给单块热防护结构热膨胀变形预留了空间，另一方面也可以协调相互单元块之间的受载变形。本项目以刚性陶瓷瓦热防护系统为研究对象，对陶瓷瓦间缝隙流动-传热-结构多场耦合分析方法进行研究。研究成果可应用于刚性陶瓷瓦热防护系统设计，也可推广至金属热防护系统、盖板式热防护系统等其他类型的高超声速飞行器热防护系统设计，为我国发展战略性高超声速飞行器做基础研究和技术储备。

本项目以刚性陶瓷瓦热防护系统为研究对象，对陶瓷瓦间缝隙流动-传热-结构多场耦合分析方法进行了研究，针对刚性陶瓷瓦热防护结构形式的特点：（1）完成了高超声速飞行器表面缝隙内气动热环境分析方法研究，对缝隙内部流场结构及流动机理进行了分析、研究了不同缝隙宽度、深度等因素对局部热环境的影响特点；（2）完成了刚性瓦传热与力学问题研究。热物性的准确性是刚性陶瓷瓦传热计算的重要影响因素，本项目创新性引入将基于复变量求导法的物性反演技术，能够准确计算陶瓷瓦传热问题。开展了高孔隙率特点的刚性瓦结构力学及变形行为研究，获得了刚性瓦结构在高超声速力热载荷条件下的响应；（3）采用迭代求解的方式，通过载荷差值与传递，完成了缝隙流动-传热-结构多场耦合问题研究。本项目研究内容所针对的刚性陶瓷瓦类热防护系统，是未来高超声速热防护技术的重要发展方向，相关研究方法与技术可推广至金属热防护系统、盖板组合式热防护系统等其它类型的热防护系统，为我国未来高超声速飞行器热防护技术发展提供重要的研究基础和技术储备。