CN106927020B - 一种平行/交叉错列式波纹夹芯一体化热防护面板 - Google Patents

Abstract

一种平行/交叉错列式波纹夹芯一体化热防护面板，包括顶层面板、中间面板、底层面板、上层腹板及下层腹板；顶层面板通过上层腹板与中间面板相连，中间面板通过下层腹板与底层面板相连，在各个面板及腹板之间的缝隙处填充有隔热材料，三层面板相互平行；上层腹板与下层腹板采用平行错列式分布结构或交叉错列式分布结构；上层腹板及下层腹板与三层面板相垂直或具有倾角；顶层面板与上层腹板之间采用铆接及插接方式相连，且铆接点和插接点交错分布，铆接点处通过L型连接件相连，插接点处通过燕尾插槽与梯形插轨相连，燕尾插槽与梯形插轨进行倒圆角处理，且两者之间留有变形补偿间隙。本发明的热防护面板可有效改善热短路效应及减缓变形不匹配效应。

Description

一种平行/交叉错列式波纹夹芯一体化热防护面板

技术领域

本发明属于高超声速飞行器表面热防护技术领域，特别是涉及一种平行/交叉错列式波纹夹芯一体化热防护面板。

背景技术

高超声速飞行器的表面通常需要进行热防护处理，用于在极端热环境下保护机身结构及其他内部子系统的安全，防止它们因过热而发生破坏。

传统的热防护方式主要是以陶瓷防热瓦及隔热毡等隔热材料贴敷于飞行器表面，这种热防护方式只能起到防隔热的作用，而且陶瓷防热瓦及隔热毡等隔热材料的力学性能弱，同时也伴随有粘接连接维护性差的缺点，当其作为高超声速飞行器的表面热防护材料时，通常还需要为其单独设计承载结构，以满足气动载荷可以顺利传递到飞行器机身，这导致了热防护材料的总体质量较大，且结构效率不高。

针对传统的热防护方式存在的缺点，技术人员又转而采用高温合金板包覆轻质隔热材料的方式对高超声速飞行器表面进行热防护，这种热防护方式既能产生良好的防热效果，又可较好的传递气动载荷。但是，这种改进后的热防护方式却高度依赖于高温合金板，而高温合金板需要通过复杂的结构与飞行器机身相连，而且高温合金板本身并不承受结构载荷。另外，欧洲航天局首先使用了更轻质的陶瓷基复合材料用于替代高温合金板，并在其内部加入了筋板，使单板面积更大，结构效率也得到提高。尽管如此，改进后的热防护方式仍只满足防隔热和承担气动载荷的要求，而对于承担机身结构载荷的能力严重不足，因此结构效率仍十分有限。随着高超声速飞行器对结构效率和结构完整性要求的不断提高，改进后的热防护方式也已经难以满足要求了。

为此，技术人员又进一步发展出了集防隔热与承担机身结构载荷功能于一体的热防护面板，即波纹夹芯一体化热防护面板。这种热防护面板由面板和腹板构成结构框架，并在面板与腹板之间的空隙处填充有隔热材料，用于隔绝外部热量。具体的，是利用腹板连接上层面板和下层面板，并在空隙处填充隔热材料，其中上层面板处于高温环境中，下层面板处于常温环境中，而上层面板承受高温的同时，还要承受气动载荷并通过腹板向下层面板传递，下层面板与机身结构连接，用于在面板与机身之间分担结构载荷。另外，对于连接上层面板和下层面板的腹板来说，其需要支撑上层面板，以对上层面板的变形产生约束，同时腹板的变形还受上层面板和下层面板的控制，需要在冷热结构之间协调结构变形，传递并分配相应的结构载荷。因此，该热防护面板在集防隔热与承担机身结构载荷功能于一体的同时，还具有单板面积大、连接与密封更简化以及连接更坚固的优点。

尽管上述的热防护面板在高温环境下可以拥有良好的力学性能，但是由于热防护面板的腹板和面板所采用的合金材料通常具有较高的导热性，而上层面板的热量会沿着腹板向下层面板传递，且热量的传递速度要明显快于热量在隔热材料中的传递速度，这将产生非常明显的热短路效应，并导致下层面板温度上升过快。另外，由于上层面板与下层面板所处的环境存在较大温差，会导致上层面板与下层面板的热膨胀变形差异较大，且协调两者变形的腹板也会存在较高的温度梯度，这将产生明显的变形不匹配效应，当腹板、上层面板和下层面板所采用的材料不同时，材料间的热膨胀性能差异将更加明显，进而导致变形不匹配效应也更加明显。

因此，由于热短路效应和变形不匹配效应的存在，已经严重限制了传统的波纹夹芯一体化热防护面板在结构效率上的进一步提升。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种平行/交叉错列式波纹夹芯一体化热防护面板，能够有效改善热短路效应以及减缓变形不匹配效应，使结构效率得到进一步提升。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种平行/交叉错列式波纹夹芯一体化热防护面板，包括顶层面板、中间面板、底层面板、上层腹板及下层腹板；所述顶层面板通过上层腹板与中间面板相连，中间面板通过下层腹板与底层面板相连，在顶层面板、上层腹板、中间面板、下层腹板及底层面板之间的缝隙处填充有隔热材料；所述顶层面板、中间面板及底层面板相互平行；所述上层腹板与下层腹板采用平行错列式分布结构或交叉错列式分布结构。

所述上层腹板与顶层面板、中间面板及底层面板相垂直或具有倾角；所述下层腹板与顶层面板、中间面板及底层面板相垂直或具有倾角。

当所述上层腹板与顶层面板、中间面板及底层面板具有倾角时，倾角范围为80°～90°，且相邻上层腹板之间的倾角方向相反；当所述下层腹板与顶层面板、中间面板及底层面板具有倾角时，倾角范围为80°～90°，且相邻下层腹板之间的倾角方向相反。

所述顶层面板的材料为Inconel718合金，所述中间面板的材料为钛合金，所述底层面板的材料为耐热铝合金，所述上层腹板和下层腹板的材料均为钛合金，所述隔热材料选用Saffil隔热毡。

所述顶层面板的厚度范围为2.2～2.4mm，所述中间面板的厚度范围为1.9～2.1mm，所述底层面板的厚度范围为4.1～4.3mm，所述上层腹板和下层腹板的厚度范围均为3.2～3.4mm。

所述顶层面板与上层腹板之间采用铆接及插接方式相连，且铆接点和插接点交错分布。

所述顶层面板与上层腹板之间的铆接点处通过L型连接件相连，L型连接件通过铆钉分别与顶层面板与上层腹板相固连。

所述顶层面板与上层腹板之间的插接点处通过燕尾插槽与梯形插轨相连，燕尾插槽设置在顶层面板下表面，梯形插轨设置在上层腹板上边沿，燕尾插槽与梯形插轨插接配合。

所述燕尾插槽内表面与梯形插轨外表面均为倒圆角处理后的表面，且燕尾插槽内表面与梯形插轨外表面插接后，两者之间留有变形补偿间隙。

所述上层腹板与中间面板之间、中间面板与下层腹板之间、下层腹板与底层面板之间均采用焊接方式相连。

本发明的有益效果：

本发明是以传统的波纹夹芯一体化热防护面板为基础，保留了传统热防护面板的优点，同时克服了其存在的缺点。本发明首次采用了双层夹芯结构，尽管顶层面板与底层面板之间仍存在较大温差，但由于中间面板的存在可以形成温度缓冲的作用，顶层面板与底层面板的热膨胀变形差异将被分解，并分解到由顶层面板与中间面板构成的上层夹芯结构内及由中间面板与底层面板构成的下层夹芯结构内，同时腹板的温度梯度也将分别由上层腹板和下层腹板共同分担，则用于协调顶层面板与中间面板的上层腹板及用于协调中间面板与底层面板的下层腹板所存在的温度梯度也将明显减小，最终使变形不匹配效应得到有效减缓。

对于本发明首次采用的双层夹芯结构，还首次对腹板结构进行了全新设定，即上层腹板与下层腹板采用平行错列式分布结构或交叉错列式分布结构。由于面板的热量会沿着腹板和隔热材料同时传递，且热量在腹板中的传递速度要明显快于在隔热材料中的传递速度，这也是产生明显热短路效应的主要原因，而当上层腹板与下层腹板采用平行错列式分布结构或交叉错列式分布结构时，顶层面板与底层面板之间的热短路路径将被阻断，最终使热短路效应得到有效改善，同时还具有良好的承力性能，并满足载荷的传递和分配。

本发明的顶层面板与上层腹板之间摒弃了传统的焊接方式进行相连，并首次采用了铆接及插接方式进行相连，并且铆接点和插接点交错分布，而且多个铆接点可以形成点阵连接效率，并可以明显减小应力集中。另外，插接点的燕尾插槽内表面与梯形插轨外表面之间还设有变形补偿间隙，可在一定程度上补充顶层面板的热变形，且当热变形量较小时，由于变形补偿间隙的存在，插接点处并不会产生约束作用，但当热变形量较大时，插接点处将起到约束顶层面板的作用，并有效分担铆接点的约束力，进而在一定程度上协调了顶层面板与上层腹板的结构变形。

附图说明

图1为本发明的一种平行/交叉错列式波纹夹芯一体化热防护面板(上层腹板与下层腹板采用平行错列式分布结构)结构示意图；

图2为本发明的一种平行/交叉错列式波纹夹芯一体化热防护面板(上层腹板与下层腹板采用交叉错列式分布结构)结构示意图；

图3为本发明的顶层面板与上层腹板采用铆接及插接后的结构示意图；

图4为本发明的顶层面板与上层腹板在插接点处的结构示意图；

图5为本发明的设置有燕尾插槽的顶层面板结构示意图；

图6为本发明的设置有梯形插轨的上层腹板结构示意图；

图中，1—顶层面板，2—中间面板，3—底层面板，4—上层腹板，5—下层腹板，6—隔热材料，7—L型连接件，8—燕尾插槽，9—梯形插轨，10—变形补偿间隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～6所示，一种平行/交叉错列式波纹夹芯一体化热防护面板，包括顶层面板1、中间面板2、底层面板3、上层腹板4及下层腹板5；所述顶层面板1通过上层腹板4与中间面板2相连，中间面板2通过下层腹板5与底层面板3相连，在顶层面板1、上层腹板4、中间面板2、下层腹板5及底层面板3之间的缝隙处填充有隔热材料6；所述顶层面板1、中间面板2及底层面板3相互平行；所述上层腹板4与下层腹板5采用平行错列式分布结构或交叉错列式分布结构。

所述上层腹板4与顶层面板1、中间面板2及底层面板3相垂直或具有倾角；所述下层腹板5与顶层面板1、中间面板2及底层面板3相垂直或具有倾角。

当所述上层腹板4与顶层面板1、中间面板2及底层面板3具有倾角时，本实施例中，倾角为85°，且相邻上层腹板4之间的倾角方向相反；当所述下层腹板5与顶层面板1、中间面板2及底层面板3具有倾角时，本实施例中，倾角为85°，且相邻下层腹板5之间的倾角方向相反。

由于顶层面板1需要承受高温，并需要在高温下具有较大的刚度和强度，同时为了提高耐冲击性能，需要顶层面板1具有较高的断裂韧性，因此顶层面板1的材料选用Inconel718合金。

由于中间面板2位于顶层面板1和底层面板3之间，其工作温度较顶层面板1低，但比底层面板3高，而且中间面板2还起到传递载荷和协调变形的作用，则需要中间面板2在中等温度环境下具有较高的强度和刚度，因此中间面板2的材料选用钛合金。

由于底层面板3的工作温度不超过150℃，其可作为热沉防止背面温度超过限制，因此需要底层面板3需要具有较高的热容，还由于底层面板3是与机身结构相连接的，其需要有一定的刚度和强度，因此底层面板3的材料选用耐热铝合金。

本实施例中，所述顶层面板1的厚度取2.3mm，所述中间面板2的厚度取2mm，所述底层面板3的厚度取4.2mm，所述上层腹板4和下层腹板5的厚度均取3.3mm。

在传统的热防护面板中，上层面板和上层腹板是通过焊接方式相连的，由于上层面板易出现严重热变形，一旦上层面板和上层腹板的焊接点处连接强度不够时，将会出现连接失效的严重后果，这将给高超声速飞行器的带来不可估量的危险。本发明摒弃了焊接方式，所述顶层面板1与上层腹板4之间首次采用了铆接及插接方式进行相连，而且铆接点和插接点交错分布。多个铆接点可以形成点阵连接效率，并可以明显减小应力集中，而且铆接的铆缝严密不漏气。

所述顶层面板1与上层腹板4之间的铆接点处通过L型连接件7相连，L型连接件7通过铆钉分别与顶层面板1与上层腹板4相固连。

所述顶层面板1与上层腹板4之间的插接点处通过燕尾插槽8与梯形插轨9相连，燕尾插槽8设置在顶层面板1下表面，梯形插轨9设置在上层腹板4上边沿，燕尾插槽8与梯形插轨9插接配合。

所述燕尾插槽8内表面与梯形插轨9外表面均为倒圆角处理后的表面，且燕尾插槽8内表面与梯形插轨9外表面插接后，两者之间留有变形补偿间隙10，可在一定程度上补充顶层面板1的热变形，且当热变形量较小时，由于变形补偿间隙10的存在，插接点处并不会产生约束作用，但当热变形量较大时，插接点处将起到约束顶层面板1的作用，并有效分担铆接点的约束力，进而在一定程度上协调了顶层面板1与上层腹板4的结构变形。

所述上层腹板4与中间面板2之间、中间面板2与下层腹板5之间、下层腹板5与底层面板3之间均采用焊接方式相连。

另外，为了满足热防护面板的总体质量要求，在必要条件下可在上层腹板4和下层腹板5上增设减重孔。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (1)

1.一种平行/交叉错列式波纹夹芯一体化热防护面板，其特征在于：包括顶层面板、中间面板、底层面板、上层腹板及下层腹板；所述顶层面板通过上层腹板与中间面板相连，中间面板通过下层腹板与底层面板相连，在顶层面板、上层腹板、中间面板、下层腹板及底层面板之间的缝隙处填充有隔热材料；所述顶层面板、中间面板及底层面板相互平行；所述上层腹板与下层腹板采用平行错列式分布结构或交叉错列式分布结构；

所述上层腹板与顶层面板、中间面板及底层面板相垂直或具有倾角；所述下层腹板与顶层面板、中间面板及底层面板相垂直或具有倾角；

当所述上层腹板与顶层面板、中间面板及底层面板具有倾角时，倾角范围为80°～90°，且相邻上层腹板之间的倾角方向相反；当所述下层腹板与顶层面板、中间面板及底层面板具有倾角时，倾角范围为80°～90°，且相邻下层腹板之间的倾角方向相反；

所述顶层面板的材料为Inconel718合金，所述中间面板的材料为钛合金，所述底层面板的材料为耐热铝合金，所述上层腹板和下层腹板的材料均为钛合金，所述隔热材料选用Saffil隔热毡；

所述顶层面板的厚度范围为2.2～2.4mm，所述中间面板的厚度范围为1.9～2.1mm，所述底层面板的厚度范围为4.1～4.3mm，所述上层腹板和下层腹板的厚度范围均为3.2～3.4mm；

所述顶层面板与上层腹板之间采用铆接及插接方式相连，且铆接点和插接点交错分布；

所述顶层面板与上层腹板之间的铆接点处通过L型连接件相连，L型连接件通过铆钉分别与顶层面板与上层腹板相固连；

所述顶层面板与上层腹板之间的插接点处通过燕尾插槽与梯形插轨相连，燕尾插槽设置在顶层面板下表面，梯形插轨设置在上层腹板上边沿，燕尾插槽与梯形插轨插接配合；

所述燕尾插槽内表面与梯形插轨外表面均为倒圆角处理后的表面，且燕尾插槽内表面与梯形插轨外表面插接后，两者之间留有变形补偿间隙；

所述上层腹板与中间面板之间、中间面板与下层腹板之间、下层腹板与底层面板之间均采用焊接方式相连。