CN113562202A - 基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，属于热防护领域。本发明包括点阵夹芯结构、隔热材料和相变材料。点阵夹芯结构主要由顶部面板、芯子杆、中间面板和底部面板组成。相变材料是事先压制定型的复合相变材料。将隔热材料和相变材料由外层向内层依次填充于点阵夹芯结构的三层面板之间，相变材料放在隔热材料之间，主要利用相变材料具有高相变潜热、高热容的储能特点吸收热量。当热量传递至中间面板时，使热量分布更加均匀，解决热量在相变材料中向下传递速度过快而无法充分有效吸收热量的问题。本发明能够起到良好的隔热效果，底部面板温度远低于安全温度，显著减缓热短路效应引起的过热，具有优异的热防护性能。

Description

基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统

技术领域

本发明涉及一种基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，属于热防护领域。

背景技术

在地球大气层以外的宇宙空间，基本上按照天体力学的规律运行的各类飞行器，又称空间飞行器。空间飞行器是执行航天任务的主体，是航天系统的主要组成部分，具有巨大的潜在军事和经济价值，然而，空间飞行器在发射和重返过程中气动加热剧烈，产生的高温会造成飞行器结构外形烧蚀、内部设施无法正常工作等问题，对飞行器的正常运行以及安全带来严重影响，需要进行热防护设计。

传统热防护方式主要从烧蚀、辐射、热沉、隔热四种形式出发，通过使用烧蚀材料、热防护涂层、防隔热材料等，结构形式较为单一。由于空间飞行器处于严酷的热力学环境，传统热防护方式和单一的承载与防热结构，已经无法满足空间飞行器的热防护需求，空间飞行器热防护系统开始走向防热与承载相结合，多功能一体化热防护技术等结构设计的发展新方向，一体化热防护系统被广泛认为是保护空间飞行器不受过热和保持气动形状不过度变形的最关键技术之一。

现有技术中的点阵夹芯结构一体化热防护系统，由点阵夹芯结构和填充夹层的隔热材料组成，其中点阵夹芯结构由顶部面板、底部面板和作为承重结构的腹板组成。作为点阵夹芯一体化热防护系统的一个重要特性，腹板不仅连接和集成了顶部面板和底部面板，而且在两板之间传递热载荷和机械载荷。虽然腹板提高了结构刚度，但同时通过腹板直接从顶部面板向底部面板传递了大量的热，大大降低了点阵夹芯结构一体化热防护系统的热防护能力。虽然到目前为止在研究方面已经取得了很大的进展，但此结构在工程应用上仍然受到腹板热短路效应的制约，承载能力与结构质量有待进一步优化。

发明内容

为显著减缓传统点阵夹芯结构一体化热防护系统中热短路效应引起的过热，本发明的目的是提供一种基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，将相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料，利用相变材料具有的高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量，使热量传递更加均匀，且通过合理分布复合相变材料在多层防隔热承载一体化点阵热防护系统中的位置，显著减缓热短路效应引起的过热，进一步提升多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的承载能力和结构质量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，包括点阵夹芯结构、隔热材料和相变材料。所述点阵夹芯结构主要由顶部面板、芯子杆、中间面板和底部面板组成。

所述隔热材料主要起到绝热作用。

所述相变材料是事先压制定型的复合相变材料，即将相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料层。

所述基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，作为优选，选用基于相变材料的三层防隔热承载一体化点阵热防护系统，为有效降低从顶部面板传递至底部面板的温度，将隔热材料和相变材料由外层向内层依次填充于点阵夹芯结构的顶部面板、中间面板和底部面板之间，复合相变材料由于使用温度较低，位于中间面板处，相变材料放在隔热材料之间，主要利用相变材料具有高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量。

作为优选，顶部面板吸收热流/高温并向环境辐射热量，热量通过顶部面板向中间面板传递，中间面板使热量分布更加均匀后再向底部面板传递，可解决热量在相变材料中向下传递速度过快而导致相变材料无法充分有效吸收热量的问题。

作为优选，当通过芯子杆传递额外的热量时，相变材料吸热达到相变温度，从固态变为液态/气态，通过相变吸收大量热量，过量的热负荷被相变材料吸收，实现热防护。

作为优选，通过优化复合相变材料和隔热材料厚度、结构，显著减缓热短路效应引起的过热，进一步提升多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的承载能力和结构质量。基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的设计过程可以用数学方法描述为一个优化模型，优化的目的是通过设计几何参数来获得质量最轻、热防护性能最好的结构，同时满足所有的约束条件。对于目前的分析，在优化过程中考虑了以下五个关键约束：

(1)底部面板的最高温度不超过100℃，以保证舱内设备的安全；

(2)保证点阵夹芯结构的高度为35mm；

(3)要求相变材料的最高温度小于最高可行温度(276℃)，以避免相变材料分解，保证可重用性；

(4)基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的最大VonMises应力小于87.3Mpa(该模型的点阵夹芯结构为C/SiC复合材料，其屈服强度为131MPa，安全系数为1.5)；

(5)结构的最大位移小于5mm，以保证飞行器的气动外形正常。

基于上述约束条件，基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的优化模型的数学表达式如下所示：

其中：M为基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的质量；T_b为底部面板的温度；H为点阵夹芯结构的高度；T_PCM为相变材料的温度；σ为VonMises应力；d为结构的位移。

本发明公开的一种基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的工作方法为：在使用过程中，顶部面板吸收热流/高温并向环境辐射热量，热量通过顶部面板向下传递至隔热材料，填充的隔热材料起到绝热作用，防止过多的热负荷向下传递。当通过芯子杆传递额外的热量时，由于相变材料的导热性和强储热能力，当达到相变温度时，相变材料从固态变为液态/气态，通过相变吸收大量热量，过量的热负荷被相变材料吸收，当相变材料吸收的热量达到饱和时，热量继续向下传递至中间面板，此时热量分布更加均匀，可解决热量在相变材料中向下传递速度过快而导致相变材料无法充分有效吸收热量的问题。当过量的热负荷通过中间面板继续向下传递时，再次被相变材料吸收大量热量，同时底部面板上方的隔热材料再一次起到绝热作用，使得底部面板保持在安全的温度范围之内。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，相变材料具有潜热大、质量轻、可靠性高等优点，利用相变材料具有的高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量，使热量传递更加均匀。

2、本发明公开的一种基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，将相变材料吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料，由于多孔结构的尺寸较小，即使发生固液相变，相变材料也被牢牢的固定在孔隙中。通过所述结构，能够将复合相变材料层直接放置在点阵夹芯结构内，消除附加密封容器。

3、本发明公开的一种基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，通过合理分布复合相变材料和隔热材料在多层防隔热承载一体化点阵热防护系统中的位置，显著减缓热短路效应引起的过热，进一步提升多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的承载能力和结构质量。

4、本发明公开的一种基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，通过设置中间面板，使热量分布更加均匀，可解决热量在相变材料中向下传递速度过快而导致相变材料无法充分有效吸收热量的问题。

附图说明

图1为本发明基于相变材料的新型多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的透视图；

图2为本发明基于相变材料的新型多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的正视图；

图3为多层防隔热承载一体化点阵热防护系统中的点阵夹芯结构的结构示意图；

图4为多层防隔热承载一体化点阵热防护系统中的点阵夹芯结构的正视图；

图5为本发明基于相变材料的新型多层防隔热承载一体化点阵热防护系统在模拟试验阶段施加的气动加热条件；

图6为本发明基于相变材料的新型多层防隔热承载一体化点阵热防护系统在模拟试验阶段600s时，点阵夹芯结构的温度分布图。

图7为本发明基于相变材料的新型多层防隔热承载一体化点阵热防护系统在模拟试验阶段600s时，底部面板的温度分布图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

图1和图2分别示出了本实施例公开的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的透视图和正视图。本实施例公开的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统包括点阵夹芯结构1、隔热材料2和相变材料3，其中点阵夹芯结构1由顶部面板4、芯子杆5、中间面板6和底部面板7组成。

图3和图4分别示出了点阵夹芯结构的透视图和正视图，所述点阵夹芯结构包括顶部面板4、芯子杆5、中间面板6和底部面板7。顶部面板4和中间面板6可抵抗高温，一般采用高温合金/超高温陶瓷材料；芯子杆5可承载，一般也采用高温合金/超高温陶瓷材料；底部面板7可吸收热量，避免结构内壁温度过高，一般采用热沉材料。

如图3和图4所示，当热流/高温作用于顶部面板4上时，顶部面板4吸收热流/高温并向环境辐射热量，热流将沿着芯子杆5向下传递。由于芯子杆5的存在使得顶部面板4和中间面板6、底部面板7之间形成了一条特殊的传热路径，顶部面板4和底部面板7的温差就像热源一样将热负荷输入到底面的热沉材料中，此时在顶部面板4和底部面板7之间形成热短路现象，造成底部面板7温度过高，使得承力结构可能会遭到破坏，显著降低多层集成热防护系统的热防护能力。

如图1和图2所示，本实施例公开的一种基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，选用基于相变材料的三层防隔热承载一体化点阵热防护系统，为有效降低从顶部面板4传递至底部面板7的温度，将隔热材料2和相变材料3依次填充于点阵夹芯结构1的顶部面板4、中间面板6和底部面板7之间，复合相变材料3由于使用温度较低，位于中间面板6处，相变材料3放在隔热材料2之间，主要利用相变材料3具有的高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量。

所述隔热材料2主要起到绝热作用。

所述相变材料3是事先压制定型的复合相变材料3，即将相变材料3吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料层。

本实施例公开的一种基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的工作方法为：在使用过程中，顶部面板4吸收热流/高温并向环境辐射热量，热量通过顶部面板4向下传递至隔热材料2，填充的隔热材料2起到绝热作用，防止过多的热负荷向下传递。当通过芯子杆5传递额外的热量时，由于相变材料3的导热性和强储热能力，当达到相变温度时，相变材料3从固态变为液态/气态，通过相变吸收大量热量，过量的热负荷被相变材料3吸收，当相变材料3吸收的热量达到饱和时，热量继续向下传递至中间面板6，此时热量分布更加均匀，可解决热量在相变材料3中向下传递速度过快而导致相变材料3无法充分有效吸收热量的问题。当过量的热负荷通过中间面板6继续向下传递时，再次被相变材料3吸收大量热量，同时底部面板7上方的隔热材料2再一次起到绝热作用，显著减缓热短路效应引起的过热，使得底部面板7保持在安全的温度范围之内，提升多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的承载能力和结构质量。

基于以上理论分析，我们进行了模拟试验验证。

首先，我们提出了多种研究方案。为了克服金属热防护系统的温度限制，选择C/SiC复合材料(陶瓷基复合材料)作为点阵夹芯结构1的材料，选择气凝胶和气凝胶绝热纤维作为不同的隔热材料2，选择石蜡/膨胀石墨复合相变材料作为相变材料3，其中石蜡含量为90wt％，膨胀石墨含量为10wt％。由于石蜡品种的不同，会导致制作的复合相变材料3的导热系数不同，因此选择不同导热系数的石蜡/膨胀石墨复合相变材料进行研究。

基于我们所提出的约束条件和最终目标，采用Python编程语言参数化地构建分析模型并进行优化设计，在优化平台中采用全局求解算法，即多岛遗传算法，得到全局最优解。通过采用这种优化方法，经过数百次热结构分析，所有设计变量的波动开始减小，然后优化模型接近最优解，同时结合经济性、工程实际性与3D打印制造技术，最终确定了多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的材料选择和单个晶胞的具体结构参数。

选择C/SiC复合材料作为点阵夹芯结构1的材料，选择气凝胶绝热纤维作为隔热材料2，选择导热系数为0.82W/m·℃的石蜡/膨胀石墨复合相变材料作为相变材料3。

多层防隔热承载一体化点阵热防护系统单个晶胞的具体结构参数见表1。

表1多层防隔热承载一体化点阵热防护系统单个晶胞的具体结构参数

图5示出了本实施例公开的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统在模拟试验阶段施加的气动加热条件。

基于优化后确定的模型，在图5所示的气动加热条件下，通过ABAQUS软件进行了详细的瞬态热传导模拟，研究了热防护系统的内部传热特性。

图6和图7分别示出了本实施例公开的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统在模拟试验阶段600s时，点阵夹芯结构和底部面板的温度分布图。

模拟试验结果表明，该多层防隔热承载一体化点阵热防护系统单个晶胞的质量为14.1g，较目前已应用于真实热防护系统的质量更轻，满足设计要求。当气动加热至600s时，此时底部面板达到最高温度89.04℃，处于安全温度范围之内，满足工程实际要求。采用本实施例公开的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，显著减缓热短路效应引起的过热，同时解决了热量在相变材料中向下传递速度过快而导致相变材料无法充分有效吸收热量的问题，具有优异的热防护性能，是一种可行方案。

上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明。但是需要说明的是，本发明并不限于上述一种实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其做出种种变化，如可以将作为承重结构的芯子杆替换为腹板，或将点阵双夹层结构替换为点阵多夹层结构，或在夹层中放置多层隔热材料/相变材料，只要该热防护结构包含点阵夹芯结构，且在其夹层中放置隔热材料/相变材料，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，其特征在于：包括点阵夹芯结构(1)、隔热材料(2)和相变材料(3)；所述点阵夹芯结构(1)主要由顶部面板(4)、芯子杆(5)、中间面板(6)和底部面板(7)组成；所述隔热材料(2)主要起到绝热作用；所述相变材料(3)是事先压制定型的复合相变材料(3)，即将相变材料(3)吸收到多孔结构中制备出成型稳定的复合相变材料层。

2.如权利要求1所述的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，其特征在于：选用基于相变材料的三层防隔热承载一体化点阵热防护系统，为有效降低从顶部面板(4)传递至底部面板(7)的温度，将隔热材料(2)和相变材料(3)由外层向内层依次填充于点阵夹芯结构(1)的顶部面板(4)、中间面板(6)和底部面板(7)之间，复合相变材料(3)由于使用温度较低，位于中间面板(6)处，相变材料(3)放在隔热材料(2)之间，主要利用相变材料(3)具有高相变潜热、高热容的储能特点来吸收热量。

3.如权利要求2所述的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，其特征在于：顶部面板(4)吸收热流/高温并向环境辐射热量，热量通过顶部面板(4)向中间面板(6)传递，中间面板(6)使热量分布更加均匀后再向底部面板(7)传递，可解决热量在相变材料中向下传递速度过快而导致相变材料无法充分有效吸收热量的问题。

4.如权利要求2所述的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，其特征在于：当通过芯子杆(5)传递额外的热量时，相变材料(3)吸热达到相变温度，从固态变为液态/气态，通过相变吸收大量热量，过量的热负荷被相变材料(3)吸收，实现热防护。

5.如权利要求2所述的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，其特征在于：通过优化复合相变材料(3)和隔热材料(2)的厚度、结构，进一步提升多层防隔热承载一体化点阵热防护系统的承载能力和结构质量。

6.如权利要求2、3、4或5所述的基于相变材料的多层防隔热承载一体化点阵热防护系统，其特征在于：在使用过程中，顶部面板(4)吸收热流/高温并向环境辐射热量，热量通过顶部面板(4)向下传递至隔热材料(2)，填充的隔热材料(2)起到绝热作用，防止过多的热负荷向下传递；当通过芯子杆(5)传递额外的热量时，由于相变材料(3)的导热性和强储热能力，当达到相变温度时，相变材料(3)从固态变为液态/气态，通过相变吸收大量热量，过量的热负荷被相变材料(3)吸收，当相变材料(3)吸收的热量达到饱和时，热量继续向下传递至中间面板(6)，可使热量传递更加均匀，从而解决热量在相变材料中向下传递速度过快而导致相变材料无法充分有效吸收热量的问题；当过量的热负荷通过中间面板(6)继续向下传递时，再次被相变材料(3)吸收大量热量，同时底部面板(7)上方的隔热材料(2)再一次起到绝热作用，使得底部面板(7)保持在安全的温度范围之内。

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