高超音速飞行器热防护系统金属蜂窝结构高温耐久性问题研究

高超音速飞行器的发展是我国重大的战略需要之一，飞行器大面积的热防护系.统开发是确保飞行器可靠，经济飞行的关键技术之一。由于热防护系统工作环境恶劣和复杂.多变，使得关于热防护系统中材料/结构在服役条件下的力学行为的实验基础研究非常困难。特别是研究超常环境下的热防护系统材料/结构多场耦合力学行为的实验方法和技术，国内在这方面的工作还比较缺乏。本项目旨在建立一套动态高温力学实验平台并给出可行性实验方案，开展轻质金属热防护系统中蜂窝三明治夹芯面板结构的热、力耦合学性能评价，疲劳与耐久性研究，解决耐高温防热结构服役环境实验仿真技术。科学的衡量高超音速飞行器再入大气层过程中，金属蜂窝夹芯面板结构在高温高剪切环境下的力学行为，损伤演化及失效机理等耐久性问题。本项目的实施可促进防热结构性能数据库的建立，有力加强新型轻质金属热防护系统结构的设计，性能控制和优化，推动金属轻质热防护的应用。

本项目的研究目标是通过设计开发新的实验平台和装置，模拟金属热防护系统中金属蜂窝夹芯结构热环境下的面内剪切载荷，研究典型的金属各向异性结构的在热、剪切载荷共同作用条件下的力学性能，特别强调复合材料的面内剪切力学行为，超薄金属蒙皮中疲劳裂纹扩展行为对其耐久性的影响。针对该研究内容，项目依托动态疲劳试验机，设计开发了高温剪切试验平台。一方面该平台的均匀温度场可达到1000摄氏度；另一方面相比目前其他的金属夹芯结构剪切试验方法，新的试验平台可提供更加均匀的面内剪切载荷。.通过该试验平台，项目实施了镍基金属合金高温剪切静力学和蠕变试验，研究了该结构均匀热环境下面内剪切破坏形式，蠕变行为，通过试验给出了蜂窝方向对其力学行为的影响。此外针对PVC高分子多孔夹芯三明治结构实施了剪切疲劳试验，给出该材料的剪切应力疲劳曲线；以实测剪切模量衰减作为损伤参数，初步给出了该结构的剪切疲劳寿命模型。.为了研究金属蜂窝结构中超薄面板的拉伸疲劳裂纹扩展行为，设计开发了超薄材料位移控制拉伸疲劳试验装置，并以25微米纯钛金属薄箔为对象，研究了其拉伸裂纹扩展行为。研究结果指出超薄金属材料随厚度降低，可出现断裂韧性降低的现象；Paris公式中表征裂纹扩展速率的幂指数随厚度降低由2~4提高到4~6，针对该实测结果申请人基于相似性原理提出裂纹扩展行为是材料断裂韧性和屈服极限竞争的结果，材料随厚度下降断裂韧性的降低导致其裂纹扩展速率提高。.针对高超声速飞行器目前采用的多层夹芯复合材料热防护系统，给出了该结构在非均布非定常热环境高声压级噪声作用下的随机疲劳寿命分析方法，并比较了时域和频域寿命预测的结果。研究结果发现该结构在高声压级噪声下的应力随机响应行为由于温度变化引起热应力的影响，其响应行为的带宽由窄带向宽带过渡，随机疲劳寿命预测频率法中Dirlik模型得到的结果与时域寿命预测方法的结果非常接近。研究也给出了与应力寿命曲线为基础的材料损伤强度的概念以及损伤强度随温度变化的结果。.综上所述，项目在充分考虑可行性和密切配合我国工程应用需求的前提下，采用试验和理论模型相结合的方法开展了典型热防护系统热力联合作用下的耐久性研究，完成了研究内容，取得了丰富的研究成果。