CN108333215B - 一种整体式tps中气凝胶隔热层的热导率分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法，包括：测量气凝胶隔热层常压、不同温度的热物性参数；绘制气凝胶隔热层的热导率与温度之间的关系曲线建立其每一分段的带有修正系数的热导率与温度关联式；在不同气压条件下开展对整体式TPS的电弧风洞试验，测绘外防热面板的表面温度随时间变化的的表面温升曲线并测绘内辅助面板或金属承载板背面的第一温升曲线；根据电弧风洞试验的试验条件开展仿真计算，绘制金属承载板背面的第二温升曲线；对比相同气压条件下根据电弧风洞试验测绘的第一温升曲线和根据仿真计算绘制的第二温升曲线以通过调整修正系数调整以调整气凝胶隔热层的热导率。本发明可获得准确的气凝胶隔热层的热导率。

Description

一种整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法

技术领域

本发明涉及热防护结构技术领域。更具体地，涉及一种整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法。

背景技术

高超声速飞行器长时以高马赫数在大气层内飞行，需要进行热防护设计。为保证热防护方案设计满足总体指标要求，需要根据热防护材料热物性参数开展热防护层厚度、重量分析。如图1所示，整体式TPS(热防护结构)包括外防热面板1、气凝胶隔热层2、内辅助面板3、胶层4和金属承载板5，其中，气凝胶隔热层2包括刚性隔热材料21和缝合纤维22。整体式TPS为多层-多孔类缝合夹层式热防护结构的防隔热一体化设计，通过胶层4与金属承载板5粘接，实现气凝胶隔热层2隔热、外防热面板1和内辅助面板3与隔热材料传载、金属承载板5承载。由于其具有结构力学性能好，结构形式简单，热桥效应小，防热/隔热性能优异特点，其在典型高超声速飞行器外防热结构上得到应用。由于气凝胶隔热层2的材料为多孔半透明介质，存在透射、辐射、气体热传导、固体热传导等多种传热方式，且传热特性受低气压现象影响较大，给气凝胶隔热层2的热导率的测量带来很大困难。气凝胶隔热层2的复合材料热导率极低，室温约0.02W/(m.k)，高温约0.08W/(m.k)，传统稳态法/瞬态法测量误差对热导率的影响较大，相应的，给热防护结构设计、评估带来很大困难。

外表面1000℃，1000s环境条件下，3mm钛合金属承载板5背面与侧面绝热，保证金属承载板5背面温升小于200℃，当气凝胶隔热层2热导率为0.04W/(m.k)与0.08W/(m.k)时计算得到需要的热防护材料厚度分别为21mm与35mm，相差约70％。由此可见，获得整体式TPS的合理准确的热导率对提高热防护结构设计精度具有重要意义。

因此，需要提供一种可获得准确的气凝胶隔热层的热导率的整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可获得准确的气凝胶隔热层的热导率的整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法，包括如下步骤：

测量气凝胶隔热层在常压、不同温度条件下的热物性参数，包括密度、比热容和热导率；

绘制气凝胶隔热层的热导率与温度之间的关系曲线，对该关系曲线进行分段，将每一分段的视为直线，建立每一分段的带有修正系数的热导率与温度的关联式；

在不同气压条件下开展对整体式TPS的电弧风洞试验，测绘不同气压条件下整体式TPS中外防热面板的表面温度随时间变化的的表面温升曲线并测绘不同气压条件下整体式TPS中内辅助面板或金属承载板背面的温度随时间变化的第一温升曲线；

根据整体式TPS中气凝胶隔热层测量的热物性参数和其余部件设置的热物性参数对整体式TPS进行仿真建模，并以电弧风洞试验获得的外防热面板表面温度作为边界条件，设定整体式TPS四周及背面绝热，利用一维非稳态导热微分方程开展不同气压条件下的仿真计算，仿真计算时间与电弧风洞试验时间相同；绘制金属承载板背面的温度随时间变化的第二温升曲线；

对比相同气压条件下根据电弧风洞试验测绘的第一温升曲线和根据仿真计算绘制的第二温升曲线：若各时刻第一温升曲线和第二温升曲线中的温度值差异小于等于设定阈值则以仿真计算时利用的气凝胶隔热层热导率作为该气压条件下气凝胶隔热层的热导率；若各时刻第一温升曲线和第二温升曲线中的温度值差异大于设定阈值则关联式中的修正系数进行调整以调整气凝胶隔热层的热导率：若第二温升曲线中的温度值大于第一温升曲线中的温度值则减小修正系数，否则增大修正系数；利用根据调整后的关联式得到的气凝胶隔热层热导率重新开展仿真计算直至各时刻第一温升曲线和第二温升曲线中的温度值差异小于等于设定阈值。

优选地，测量气凝胶隔热层在常压、不同温度条件下的热物性参数的方法为采用稳态法或瞬态法测量，测量中温度测点的间隔≤200℃。

优选地，每一分段的带有修正系数的热导率与温度的关联式为：λ＝c(aT+b)，λ为热导率，T为温度，a、b分别为常数，c为修正系数。

优选地，电弧风洞试验的试验参数及条件为：采用两个内置热电偶分别测量整体式TPS中外防热面板及内辅助面板温度变化，两个内置热电偶分别距外防热面板、内辅助面板的距离≤0.5mm；采用单一状态进行试验，试验时间保证外防热面板表面温度处于平衡状态；整体式TPS厚度≥10mm，外防热面板和内辅助面板的厚度均≤2mm；热电偶位置距整体式TPS边缘≥40mm；整体式TPS与试验工装缝隙填充隔热材料进行密封，隔热材料热导率≤0.06W/(m.k)；整体式TPS与试验工装四周缝隙尺寸≥1mm，金属承载板背面填充的隔热材料厚度≥10mm，与试验工装热导率≤30W/(m.k)；对于测量金属承载板背面的温度变化，金属承载板边缘距整体式TPS边缘距离≥5mm；胶层、金属承载板的厚度与热物性参数均已知，胶层粘接界面接触完好。

优选地，所述一维非稳态导热微分方程为其中，λ为热导率，T为温度，ρ为密度，c_p为比热容，t为时间。

优选地，所述设定阈值为5℃。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案可获得准确的气凝胶隔热层的热导率，进而提高热防护结构设计精度，可有效降低热防护结构设计余量与结构重量比，提高高超声速飞行器总体性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出整体式TPS的示意图。

图2示出整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法的流程图。

图3示出电弧风洞试验的试验条件示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本实施例提供的整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法也可以称为缝合夹层式多层-多孔整体式TPS不同气压环境条件下气凝胶隔热层热导率分析方法，如图2所示，包括如下步骤：

第一步、测量整体式TPS中的外防热面板1、内辅助面板3和气凝胶隔热层2在常压、不同温度条件下的热物性参数，热物性参数包括密度、比热容和热导率；其中，由于气凝胶隔热层2传热特性受低气压现象影响较大，本实施例重点关注的是气凝胶隔热层2的热物性参数。测量的方法具体是采用稳态法或瞬态法分别对外防热面板1、内辅助面板3和气凝胶隔热层2在常压、不同温度条件下的密度、比热容和热导率进行测量，测量中温度测点的间隔≤200℃。

第二步、根据第一步的测量结果并在考虑了测量误差后，绘制气凝胶隔热层2的热导率与温度之间的关系曲线，对该关系曲线进行分段，将每一分段的视为直线，建立每一分段的带有修正系数的热导率与温度的关联式，λ＝c(aT+b)，λ为热导率，T为温度，a、b分别为常数，c为修正系数。

第三步、在不同气压条件下开展对整体式TPS的电弧风洞试验，测绘不同气压条件下外防热面板1的表面温度随时间变化的的表面温升曲线并测绘不同气压条件下内辅助面板3或金属承载板5背面的温度随时间变化的第一温升曲线。

如图3所示，电弧风洞试验的试验参数及条件为：采用两个内置热电偶分别测量整体式TPS中外防热面板1及内辅助面板3的温度变化，两个内置热电偶分别距外防热面板1、内辅助面板3的距离≤0.5mm；采用单一状态进行试验，试验时间应足够长以保证外防热面板1表面温度处于平衡状态；整体式TPS厚度≥10mm，外防热面板1和内辅助面板3的厚度均≤2mm；热电偶位置距整体式TPS边缘≥40mm；整体式TPS与试验工装6缝隙填充隔热材料7进行密封，隔热材料7热导率≤0.06W/(m.k)；整体式TPS与试验工装6四周缝隙尺寸≥1mm，金属承载板5背面填充的隔热材料7厚度≥10mm，与试验工装6热导率≤30W/(m.k)。对于测量金属承载板5背面的温度变化，金属承载板5边缘距整体式TPS边缘距离≥5mm；胶层4、金属承载板5的厚度与热物性参数均已知，胶层4粘接界面接触完好。

第四步、根据整体式TPS中气凝胶隔热层2测量的热物性参数和其余部件设置的热物性参数对整体式TPS进行仿真建模(模型应包含外防热面板1、气凝胶隔热层2、内辅助面板3，对带有胶层4和金属承载板5的整体式TPS试验件，还应包含胶层4和金属承载板5)，并以电弧风洞试验获得的外防热面板1表面温度作为边界条件，设定整体式TPS四周及背面绝热，利用一维非稳态导热微分方程开展不同气压条件下的仿真计算，仿真计算时间与电弧风洞试验时间相同；绘制金属承载板5背面的温度随时间变化的第二温升曲线T＝f(t)及温升△T，其中，λ为热导率，T为温度，ρ为密度，c_p为比热容，t为时间。

第五步、对比相同气压条件下根据电弧风洞试验测绘的第一温升曲线和根据仿真计算绘制的第二温升曲线：

若各时刻第一温升曲线和第二温升曲线中的温度值差异小于等于设定阈值则以仿真计算时利用的气凝胶隔热层2热导率作为该气压条件下气凝胶隔热层2的热导率；

若各时刻第一温升曲线和第二温升曲线中的温度值差异大于设定阈值则关联式中的修正系数c进行调整以调整气凝胶隔热层2的热导率：若第二温升曲线中的温度值大于第一温升曲线中的温度值则减小修正系数c，若第二温升曲线中的温度值小于第一温升曲线中的温度值则增大修正系数c，之后利用根据调整后的关联式得到的气凝胶隔热层2热导率重新开展仿真计算直至各时刻第一温升曲线和第二温升曲线中的温度值差异小于等于设定阈值，此时说明仿真计算结果与电弧风洞试验结果吻合，以两者吻合时仿真计算用的热导率作为该风洞试验气压条件下确定得到的整体式TPS气凝胶隔热层2的热导率。其中，设定阈值优选为5℃。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法，其特征在于，所述整体式TPS包括外防热面板、气凝胶隔热层、内辅助面板、胶层和金属承载板；

所述热导率分析方法包括如下步骤：

测量气凝胶隔热层在常压、不同温度条件下的热物性参数，包括密度、比热容和热导率；

绘制气凝胶隔热层的热导率与温度之间的关系曲线，对该关系曲线进行分段，将每一分段视为直线，建立每一分段的带有修正系数的热导率与温度的关联式；

在不同气压条件下开展对整体式TPS的电弧风洞试验，测绘不同气压条件下整体式TPS中外防热面板的表面温度随时间变化的表面温升曲线并测绘不同气压条件下整体式TPS中内辅助面板或金属承载板背面的温度随时间变化的第一温升曲线；

根据整体式TPS中气凝胶隔热层测量的热物性参数和其余部件设置的热物性参数对整体式TPS进行仿真建模，并以电弧风洞试验获得的外防热面板表面温度作为边界条件，设定整体式TPS四周及背面绝热，利用一维非稳态导热微分方程开展不同气压条件下的仿真计算，仿真计算时间与电弧风洞试验时间相同；绘制金属承载板背面的温度随时间变化的第二温升曲线；

对比相同气压条件下根据电弧风洞试验测绘的第一温升曲线和根据仿真计算绘制的第二温升曲线：若各时刻第一温升曲线和第二温升曲线中的温度值差异小于等于设定阈值则以仿真计算时利用的气凝胶隔热层热导率作为该气压条件下气凝胶隔热层的热导率；若各时刻第一温升曲线和第二温升曲线中的温度值差异大于设定阈值则关联式中的修正系数进行调整以调整气凝胶隔热层的热导率：若第二温升曲线中的温度值大于第一温升曲线中的温度值则减小修正系数，否则增大修正系数；利用根据调整后的关联式得到的气凝胶隔热层热导率重新开展仿真计算直至各时刻第一温升曲线和第二温升曲线中的温度值差异小于等于设定阈值。

2.根据权利要求1所述的整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法，其特征在于，测量气凝胶隔热层在常压、不同温度条件下的热物性参数的方法为采用稳态法或瞬态法测量，测量中温度测点的间隔≤200℃。

3.根据权利要求1所述的整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法，其特征在于，每一分段的带有修正系数的热导率与温度的关联式为：λ＝c(aT+b)，λ为热导率，T为温度，a、b分别为常数，c为修正系数。

4.根据权利要求1所述的整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法，其特征在于，电弧风洞试验的试验参数及条件为：采用两个内置热电偶分别测量整体式TPS中外防热面板及内辅助面板温度变化，两个内置热电偶分别距外防热面板、内辅助面板的距离≤0.5mm；采用单一状态进行试验，试验时间保证外防热面板表面温度处于平衡状态；整体式TPS厚度≥10mm，外防热面板和内辅助面板的厚度均≤2mm；内置热电偶位置距整体式TPS边缘≥40mm；整体式TPS与试验工装缝隙填充隔热材料进行密封，隔热材料热导率≤0.06W/(m.k)；整体式TPS与试验工装四周缝隙尺寸≥1mm，金属承载板背面填充的隔热材料厚度≥10mm，与试验工装热导率≤30W/(m.k)；对于测量金属承载板背面的温度变化，金属承载板边缘距整体式TPS边缘距离≥5mm；胶层、金属承载板的厚度与热物性参数均已知，胶层粘接界面接触完好。

5.根据权利要求1所述的整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法，其特征在于，所述一维非稳态导热微分方程为其中，λ为热导率，T为温度，ρ为密度，cp为比热容，t为时间。

6.根据权利要求1所述的整体式TPS中气凝胶隔热层的热导率分析方法，其特征在于，所述设定阈值为5℃。