CN106628110B - 一种新型烧蚀隔热功能分区的整体式异型防热结构 - Google Patents

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Abstract

一种新型烧蚀隔热功能分区的整体式异型防热结构，包括内隔热层和外烧蚀层；内隔热层外形与待防护部分外形适型，外烧蚀层采用多向编织织物的方式预成型后套在内隔热层外，最后内隔热层和外烧蚀层采用整体浸渍树脂方式一体成型。

Description

一种新型烧蚀隔热功能分区的整体式异型防热结构
技术领域
本发明涉及一种烧蚀防热结构。
背景技术
随着工程技术的发展，有些工程结构设备的使用环境越来越高，特别是在高速飞行器技术领域，其周围的使用环境温度可能高达上万摄氏度，如此高的使用环境温度，目前没有单一的材料可以耐受如此高的温度，通常是在所关注的设备外围使用一定厚度抗烧蚀的高分子复合材料进行烧蚀型防护。目前某工程领域设备遭遇外围最高工作温度达到近3000℃，长时间工作温度在1000℃以上，但是其承力结构工作温度要求在200℃以内，内部腔内设备工作温度要求在60℃以内，且承力结构为异型，因此要求热防护结构也为异型结构。
由于重量也是衡量工程设备先进性的一个重要指标，特别是在高速飞行器领域，轻质化是其发展的方向。要实现上述工程设备外围最高工作温度达到近3000℃，长时间工作温度在1000℃以上，且承力结构工作温度要求在200℃以内，内部腔内设备工作温度要求在60℃以下，如果采用传统的单层烧蚀型热防护结构重量上满足不了指标要求，因此要求将指标进行分解，通过结构优化设计以实现各项指标，考虑将防热结构进行功能分区，外围采取抗烧蚀型的特殊高分子材料经受短时间的耐受近3000℃高温和长时间耐受1000℃以上的高温，内部采用轻质化的高效隔热材料以实现承力结构工作温度要求在200℃以内、内部腔内设备工作温度要求在60℃以下。
由于采用特殊的高分子复合材料和编织工艺，编织工艺可以有利于实现结构的异型；此外高分子复合材料通过一定温度、压力条件可以实现外围耐高温的烧蚀层和内部高效隔热层的一体固化结合成型，有效实现了热防护结构的整体性，保证热防护结构使用过程的安全、可靠。
发明内容
本发明的技术解决问题是：解决异型承力结构的长时间耐受外围高温工作环境和有效实现结构及内部设备的低温工作环境，提供了一种新型烧蚀隔热功能分区的整体式异型防热结构。
本发明的技术解决方案是：一种新型烧蚀隔热功能分区的整体式异型防热结构，包括内隔热层和外烧蚀层；内隔热层外形与待防护部分外形适型，外烧蚀层采用多向编织织物的方式预成型后套在内隔热层外，最后内隔热层和外烧蚀层采用整体浸渍树脂方式一体成型。
在内隔热层和外烧蚀层一体成型前，对内隔热层进行预固化，预固化度80％～90％。
所述的内隔热层在隔热前端向内翻边，用于实现飞行器端头帽与端头体之间的隔热及连接密封。
所述翻边的厚度为8-12mm。
外烧蚀层选用密度1650～1750kg/m3之间的耐烧蚀材料，内隔热层选用密度800kg/m3以下的隔热材料。
所述的外烧蚀层的厚度要保证有剩余1-2mm的未碳化层。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明适用于结构设备经受严重的外部加热(通常是外部加热环境高达3000℃以上)，为使得结构设备经受此高温环境后工作正常(工作温度要求在200℃以内)，需要采用特殊的保护措施，则可以采用烧蚀层、隔热层功能分区的结构设计以实现耐高温和强隔热的功效，并采用两层套装整体式成型工艺以实现烧蚀层和隔热层一体化，安全、可靠且效率高。
(2)通过功能分区形成外烧蚀层和内隔热层一体成型结构设计可以有效实现轻质化，外层采用编织织物预成型可以较好的实现外部抗高温烧蚀，织物工艺可易于实现结构的可设计性，密度可以控制在1650～1750kg/m3之间，内层采用有机纤维类轻质高效隔热材料可以有效实现轻质化，密度可以控制在800kg/m3以下。内外层采用套装一体浸渍树脂固化成型有效实现产品的整体性。
(3)内层隔热层的预固化度控制要求在80％～90％，预固化度在80％以下，外层织物套装后浸树脂一体固化时不易实现内层的轻质化和内层厚度；预固化度在90％以上，内外层界面融合性差，在高温受热条件下易开裂分层，引起结构端面的热密封等问题。
(4)异型的翻边结构一方面实现对内部承力结构端框免受来自飞行器端头高温破坏，另一方面与内层隔热层一体成型保证了结构的整体性，避免飞行器前段的端头帽与后面端头体之间需要采用专门的隔热部件进行隔热保护，结构上的简化设计，提高了连接区的热密封可靠性。翻边厚度控制在8～10mm既满足隔热功能的实现又确保结构强度满足要求。
(5)外层抗烧蚀层设计中要确保厚度上实现使用中有1～2mm的剩余未碳化的厚度，确保内外层界面结合牢靠、不分层，有效实现结构端面的热密封可靠。
附图说明
图1为本发明二维示意图；
图2为承力结构的工作温度曲线；
图3为内腔设备的工作温度曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做详细说明。
本例中工程设备要求外围最高工作温度达到近3000℃，长时间工作温度在1000℃以上，但是其承力结构工作温度要求在200℃以内，内部腔内设备工作温度要求在60℃以内，且承力结构为异型，总体指标需实现轻质化，据此开展热防护结构设计。
通常情况耐高温和轻质化是矛盾的，耐高温的材料一般较为致密，高效隔热材料需要轻质化。为实现使用结构耐受外部的高温和内部的低温环境，考虑热防护结构的功能分区设计。热防护结构的表层采用耐烧蚀的高分子复合材料，利用高分子复合材料中的树脂受热状态下首先发生热解，产生的热解气体通过防热结构内孔隙流向受热表面，热解过程以及热解气体流向受热表层的高温区域时吸收外部加热，并对外部加热产生热阻塞的效应，从而达到较好抗烧蚀效果；由于从受热结构的表面到内部的温度逐渐降低，在结构内部的适当位置采用轻质高效隔热层将传入内部的高温有效阻挡，有效保护工程承力结构及内部仪器设备的正常工作。
由于表面耐高温的烧蚀层和内部适当位置采用的轻质高效隔热层为两种材料体系，功能上的分区将降低其整体性，从而影响结构的可靠性，因此在成型上采取两层材料体系的各自单独预先成型后采用整体浸渍树脂方式，然后在一定的高温和压力条件下实现两种材料界面下分子结构重新交联和互相渗透，即采用一体固化成型实现了整体性结构，有效提高其可靠性。
织物工艺的优点是可以实现结构的可设计性，因此在热防护结构设计中针对外层耐烧蚀层采用了多向编织织物，通过织物来实现结构的走向，从而有效实现热防护结构的异型，减少因异型结构而需要采用多个零件进行拼接而破坏了结构的整体性。
综上具体：本发明一种新型烧蚀隔热功能分区的整体式异型防热结构，如图1所示，包括内隔热层2和外烧蚀层1，内隔热层2外形与待防护部分外形适型，外烧蚀层1采用多向编织织物的方式预成型后套在内隔热层外，最后内隔热层和外烧蚀层采用整体浸渍树脂方式一体成型。
为了实现飞行器端头帽与端头体之间的隔热及连接密封，内隔热层在隔热前端向内翻边，翻边的厚度为8-12mm。
外烧蚀层选用密度1650～1750kg/m3之间的耐烧蚀材料，例如编织石英纤维/酚醛高分子复合材料，内隔热层选用密度800kg/m3以下的隔热材料。采用工程设计上传统可行的设计方法对使用环境下所选材料的烧蚀层材料的烧蚀量进行计算，从安全的角度考虑1～2mm的烧蚀剩余未碳化层厚度，从而确定外层烧蚀层的设计厚度a。根据结构工作温度环境约束条件，承力结构的工作温度不超过200℃，内腔设备工作温度不超过60℃，结合重量指标要求选取合适的内部隔热材料，例如有机纤维类轻质高效隔热材料，对选定的内部隔热材料采用结构温度场仿真分析工具进行热防护结构、承力结构和内腔设备的一体结构温度场计算，从而确立内部轻质高效隔热层厚度b。
为了提高结构的整体性，在内隔热层和外烧蚀层一体成型前，对内隔热层进行预固化，预固化度80％～90％。
对上述热防护结构已经完成了试验验证，验证结果表明其结构设计具有可行性和可靠性，验证试验包括生产1：1工艺件和地面高温风洞考核试验，地面风洞考核试验过程中测量试验件内部的温度场，测量结果(图2、图3所示)表明本发明结构能够满足要求。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种新型烧蚀隔热功能分区的整体式异型防热结构，其特征在于包括内隔热层和外烧蚀层；先对内隔热层进行预固化，预固化度80％～90％，内隔热层外形与待防护部分外形适型，外烧蚀层采用多向编织织物的方式预成型后套在内隔热层外，最后内隔热层和外烧蚀层采用整体浸渍树脂方式一体成型。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述的内隔热层在隔热前端向内翻边，用于实现飞行器端头帽与端头体之间的隔热及连接密封。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于：所述翻边的厚度为8-12mm。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：外烧蚀层选用密度1650～1750kg/m3之间的耐烧蚀材料，内隔热层选用密度800kg/m3以下的隔热材料。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述的外烧蚀层的厚度要保证有剩余1-2mm的未碳化层。
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