基于参数不确定性的热防护设计方法研究

In traditional thermal protection system (TPS) sizing, uncertainty is usually taken account of by using factors of safety, which is conservative and thus not optimum for structural and reliability efficiency. A better approach can be arrived by covering the knowledge gaps in uncertainty prediction. Hence, the first part of this work focuses on characterizing these uncertainties and identifying the source and the formation of them numerically and experimentally. Then the TPS response with uncertainty will be modeled, based on which we are supposed to study the role of uncertainty in TPS design. By performing reliability based design, an effort will be made to give a more explicit method of TPS sizing compared to traditional method. Finally we will discuss the method of including future tests in TPS design and the impact it brought. In summary, this work is dedicated to uncover the mechanism of uncertainty in TPS response, and establish a new design method of TPS considering uncertainty, which will contribute to mature the technology of our nation in TPS overall design and reliability evaluation as we hope.

传统的飞行器热防护设计一般是基于冗余设计的思想，常常通过增加一定的安全系数来考虑实际存在的一些不确定性因素的影响。但给出的热防护设计对于飞行器的结构效率和可靠性而言可能不是最优的方案，究其原因主要是对于设计中的一些不确定性因素认识不清。本研究将深入分析热防护设计中的不确定性因素，通过试验和数值方法研究参数不确定性的表征方法，分析不确定性的来源与形成机制，建立基于参数不确定性的热防护表征模型，研究不确定性对热防护热响应的影响机制，基于试验测试研究热防护可靠性分析理论和方法，研究考虑不确定性的热防护优化设计方法。从而充分认知热防护设计中的不确定性，给出一种新的热防护设计方法，为有效提高我国飞行器热防护的整体设计水平和可靠性评价奠定理论基础。

传统的飞行器热防护设计一般是基于冗余设计的思想，常常通过增加一定的安全系数来考虑实际存在的一些不确定性因素的影响。但给出的热防护设计对于飞行器的结构效率和可靠性而言可能不是最优的方案，究其原因主要是对于设计中的一些不确定性因素认识不清。本项目在热防护系统中创新性的引入不确定性进行设计方法的研究，在理论和方法方面取得了如下主要成果：. （1）热防护不确定性参数的表征与传播分析模型。针对热防护设计中客观存在的不确定性及引起的系统响应不确定性问题，建立了较为系统的不确定性表征与量化框架，建立了包含不确定性因素的热防护热力耦合响应分析模型，建立了近似展开方法、抽样方法两类不确定性传播分析方法，实现了热防护系统热力耦合响应不确定性的量化分析。. （2）热力耦合复杂失效模式下系统失效概率分析方法。针对热力耦合条件带来的热防护系统响应高度非线性及失效模式复杂问题，建立了分离式蒙特卡洛模拟与高阶可靠度分析方法，建立了多失效模式耦合下的系统失效及可靠度分析方法。. （3）热防护热力响应不确定性敏感性分析与降维方法：为研究不确定性对热防护热力耦合响应的影响机理，建立了系统响应不确定性对输入参数的局部与全局敏感性分析方法，研究了不同时刻下系统响应对参数的敏感性，实现了高维不确定性的参数降维。. （4）基于试验结果的模型不确定性修正方法。针对统计数据不足及模型假设等带来的认知非确定性因素，基于贝叶斯概率理论建立了模型不确定性及参数不确定性修正方法，实现了基于试验结果的模型校正与有效性评价。. （5）非确定性下热防护结构参数优化设计方法。采用概率约束替代确定性约束，建立了非确定性条件下热防护系统参数优化设计方法，建立了基于可靠度指标的双重循环优化设计方法，实现了多失效模式下的一体化热防护优化设计，在保证结构效率的同时提升了结构安全性。. 研究工作为有效提高我国飞行器热防护的整体设计水平和可靠性评价奠定了理论基础。