CN216887194U - 一种热防护结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热防护结构，涉及航空航天高速飞行器制造、隔热仪器领域，包括至少三个平行且间隔设置的支撑板，相邻的两个支撑板之间设置有至少一个连接体，各连接体两端分别与相邻的两个支撑板固定连接，同一支撑板两侧固定连接体的位置交错分布，相邻支撑板与连接体形成隔热空间，隔热空间内填充隔热材料形成隔热层，隔热层与相邻支撑板和连接体紧密贴合。与现有技术相比，本实用新型能够使热防护结构的热量传递更加缓慢，冷面温度降低，温度分布更加均匀，隔热效果更好。

Description

一种热防护结构

技术领域

本实用新型涉及航空航天高速飞行器制造、隔热仪器领域，特别是涉及一种热防护结构。

背景技术

随着航空航天技术的迅猛发展，飞行器也向着高速化、隐身化、无人化、精确化、信息化的方向发展。高速飞行器在大气层中高速飞行时，在接近或超过声速时表面温度会迅速增高，飞行器的前缘和局部凸起部位需要承受极强的气动加热，随着飞行马赫数的增加，气动加热愈加严重，空气温度以马赫数的平方成正比增加(高超声速飞行器飞行速度≥5Ma)，机身大面积温度范围约在380-550℃。由于高速飞行器机身内部零器件或材料无法在高温环境下持续正常运行，现有均质纯金属材质防护结构几乎在1分钟时长就能将外部高温全部传递进入飞行器内部，为使飞行器内部零部件正常工作，就需要更大的蒙皮材料厚度，这同样增加了整个飞行器的重量，而且目前对高速飞行器的蒙皮材料厚度有严格要求，既要求厚度薄还要具有更高的隔热性。

目前，主流的热防护结构为单夹层热防护结构，采用隔热夹层来隔绝一定的外部热量，夹层中选用微桁架或点阵连接，单夹层热防护结构虽然能够阻隔一定的热量传递，但隔热时间过短，只能在分钟级别进行有限的隔热，而且存在连接结构位置局部温度过高的问题。目前高速飞行器的飞行时长及航程逐渐增加，对于隔热时长及隔热效果的要求也逐渐提高，传统的单夹层热防护结构难以达到。因此，开发一种在同种条件下热防护效果更好地热防护结构是一个亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种热防护结构，以解决上述现有技术存在的问题，使热防护结构的热量传递更加缓慢，冷面温度降低，温度分布更加均匀，隔热效果更好。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供一种热防护结构，包括至少三个平行且间隔设置的支撑板，相邻的两个所述支撑板之间设置有至少一个连接体，各所述连接体两端分别与相邻的两个所述支撑板固定连接，同一所述支撑板两侧固定所述连接体的位置交错分布，相邻所述支撑板与所述连接体形成隔热空间，所述隔热空间内填充所述隔热材料形成隔热层，所述隔热层与所述相邻支撑板和所述连接体紧密贴合。

优选的，所述支撑板和所述连接体的材料为钛合金、高温合金或耐热钢。

优选的，所述隔热材料为气凝胶。

优选的，所述连接体为支柱、四面体点阵结构、金字塔点阵结构、3D-Kagome点阵结构、体心立方体BCC点阵结构、BCC-Z点阵结构、面心立方FCC点阵结构、Octet点阵结构、微桁架或波纹板。

优选的，所述支撑板与所述连接体通过焊接固定连接或采用3D打印技术一体化制造。

优选的，所述焊接方式选择钎焊。

优选的，所述连接体上开设有减重孔。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型提出一种热防护结构，通过连接体连接多个平行且间隔设置的支撑板，高速飞行器在工作状态，外层支撑板能够承载和承受外部与空气之间的摩擦，中间多层支撑板能够分散热量和承载，内层支撑板能够承载载荷，提高强度。同一块支撑板两侧固定连接体的位置交错分布，即相邻两层连接体与支撑板的固定连接位置不同，避免了热量通过正对应连接的连接体从高温的支撑板一侧快速传递到低温的支撑板一侧，能够增长热量的传播路径，降低低温一侧的支撑板连接位置的局部温度，支撑板与连接体形成隔热空间并填充隔热材料形成隔热层能够增大“热阻”。在相同厚度相同面积的结构下，多夹层热防护结构能够降低金属支撑板厚度，使热传递更加缓慢，达到更好的隔热效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中的连接体为支柱的热防护结构的整体结构示意图；

图2为实施例1中的连接体为支柱的热防护结构俯视图；

图3为实施例1中的连接体为支柱的热防护结构侧视图；

图4为实施例1中的支柱连接体俯视图；

图5为实施例1中的支柱连接体侧视图；

图6为实施例2中的连接体为四面体点阵的热防护结构局部示意图；

图7为实施例3中的连接体为金字塔点阵的热防护结构局部示意图；

图8为实施例4中的连接体为开设减重孔波纹板的热防护结构局部示意图；

图9为实施例1中的连接体为支柱的热防护结构各夹层分布图；

图10为实施例1中的连接体为支柱的热防护结构隔热层Ⅰ的结构图；

图11为实施例1中的连接体为支柱的热防护结构隔热层Ⅱ的结构图。

图中：1-支撑板；2-隔热层；3-连接体；4-支撑板Ⅰ；5-支撑板Ⅱ；6-支撑板Ⅲ；7-支撑板Ⅳ；8-隔热层Ⅰ；9-隔热层Ⅱ；10-隔热层Ⅲ。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种热防护结构，以解决上述现有技术存在的问题，使热防护结构的热量传递更加缓慢，冷面温度降低，温度分布更加均匀，隔热效果更好。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提供一种热防护结构，本实例的热防护结构尺寸为400×400mm，厚度为20mm，包括至少三个平行且间隔设置的支撑板1，其中支撑板Ⅰ位于热防护结构的外侧主要作用为承载和承受外部与空气之间的摩擦，支撑板Ⅱ和支撑板Ⅲ位于热防护结构的中间层主要起到分散热量和承载的作用，支撑板Ⅳ位于热防护结构的内侧用于承载载荷，提高整体结构的强度，相邻的两个支撑板1之间设置有至少一个连接体3，各连接体3的两端分别与相邻的两个支撑板1固定连接，同一支撑板1两侧固定连接体3的位置交错分布，使得热量传播途径更长，避免了热量通过正对应连接的连接体从高温的支撑板一侧快速传递到低温的支撑板一侧，能够增长热量的传播路径，降低低温一侧的支撑板连接位置的局部温度，相邻支撑板1与连接体3形成隔热空间，隔热空间内填充隔热材料形成隔热层2，隔热层2与相邻支撑板1和连接体3紧密贴合，用于减缓上下支撑板之间的温度传递。本实施例提供的热防护结构包括4个平行且间隔设置的支撑板1。

需要说明的是，同一支撑板1两侧固定连接体3的位置交错分布，是指同一个支撑板1与两侧的连接体3所连接的表面是完全错开设置的，没有重叠的部分。

本实施例的可选方案中，较为优选的，支撑板1和连接体3的材料为钛合金、高温合金或耐热钢，这类材料既有耐高温性能还有良好的机械性能，进一步优选钛合金TC4，其密度低，高温强度好，传热系数在金属中属于低水平，在高温的防护温度下工作稳定。

本实施例的可选方案中，较为优选的，隔热材料为气凝胶，气凝胶隔热材料具有高弹性和强吸附的特点，而且气凝胶隔热材料的形式多种，包括粉状、气凝胶毡、气凝胶浆料，方便根据板材的固定方式、连接结构形式和是否封闭选择不同形态的气凝胶进行填充。

如图4-5所示，本实施例的可选方案中，较为优选的，连接体3为圆柱形的支柱，支撑板1与支柱3通过焊接固定连接或采用3D打印技术一体化制造，根据实际需求设计热防护结构尺寸，当实际防护面积较大时，选择多个防护板材分体制造再组合构成，分体制造方法所需的成本低，工时短，板材的质地均匀精度较高，将打磨好的连接结构与承载层依次进行焊接，焊接方式选择钎焊中的硬钎焊，硬钎焊的钎料熔点高于450℃，接头强度较高(大于200MPa)，保证两者之间连接稳固达到基体金属强度的80％以上，可以更好地满足工程实际的使用要求。当实际防护面积较小时，采用3D打印技术，对除隔热层以外的部分进行一体化制造，可以实现自动、快速、直接和比较精确地对除隔热层以外的部分进行一体化制造加工，节省材料，能做到较高的精度和很高的复杂程度，大大降低了组装成本。

本实施例的可选方案中，较为优选的，连接体3上能够开设减重孔，既能减轻整体重量又能提高热防护效果。

实施例2

与实施例1不同的是，如图6所示，本实施例热防护结构的连接体的结构为四面体点阵结构，四面体点阵的连接体与两侧支撑板之间采用焊接或者一体化制造。

实施例3

与实施例1和实施例2不同的是，如图7所示，本实施例热防护结构的连接体的结构为金字塔点阵结构，金字塔点阵的连接体与两侧支撑板之间采用焊接或者一体化制造。

实施例4

与实施例1、实施例2和实施例3不同的是，如图8所示，本实施例热防护结构的连接体的结构为开设减重孔的波纹板，开设减重孔的波纹板的连接体与两侧支撑板之间采用焊接或者一体化制造。

实施例5

如图9所示，本实施例提供一种对实施例1中的热防护结构的分体制造设计方法，分体制造方法包括以下步骤：

步骤一：根据实际需求设计热防护结构尺寸，例如实际需求面积为10000×3000mm，面积较大时，选择分体制造方法，根据实际需求设计每一分体的热防护结构尺寸为400×400mm，厚度为20mm；

步骤二：根据实际热防护条件的需求，首先，初步确定总夹层(每一个支撑板和每一个隔热层分别为一层)结构的层数为7层，将20mm厚度分配到四层支撑板1和三层隔热层2。其中，四层支撑板1分别为支撑板Ⅰ4，支撑板Ⅱ5、支撑板Ⅲ6和支撑板Ⅳ7，三层隔热层2分别为隔热层Ⅰ8、隔热层Ⅱ9和隔热层Ⅲ10。在热防护结构和单层隔热层2厚度不变的情况下，增加热防护结构总夹层层数，降低各支撑板厚度，越是薄的金属层，其传递热量越低，越能阻隔热量的传递，原则上如果隔热效果不能满足实际需求，增加夹层层数；

步骤三：确定各层之间的厚度，其中包含各支撑板1的厚度、各隔热层2的厚度和连接体3的厚度。初步设计时，隔热层2厚度为支撑板1厚度的2倍。经过计算，各支撑板1的厚度设置为2mm，各隔热层2的厚度为4mm，连接体3的厚度与隔热层2厚度一致为4mm，根据需要以上确定参数均可进行调整；

步骤四：根据实际性能要求选择承载层金属材料，目前，优选热防护结构的支撑板材料为钛合金，例如TC4、TC6、TC11，钛合金的高温强度好，且传热系数在金属中属于低水平，其中TC4钛合金的密度低，在防护温度下工作稳定，因此本实施例中支撑板的材料选择TC4；

步骤五：根据实际性能要求选择连接体的材料和形式，确定连接体的数量和不对称排布位置。本实施例选择连接体3的结构为圆柱形支柱，选择每夹层4根支柱，分布尽量保持最大错位距离，支柱直径优先选择支撑厚度的3-6倍，本实施例的支柱直径选择20mm，连接体3结构如图4-5所示，连接体3的材料与支撑板1材料相同选择TC4，为了减轻整个热防护结构的重量并减缓热量传递，连接件能够开设减重孔；

步骤六：根据应用场景选择隔热层的形态，根据板材的固定方式、连接体形式和是否封闭选择不同形态的气凝胶进行填充，由于本实施例选取连接体3的结构为支柱，因此气凝胶类型选择气凝胶毡，在连接体3的对应位置进行直径20mm的圆孔剪切，保证气凝胶毡与支柱能够紧密配合，起到固定的作用，气凝胶毡的对应圆孔的裁剪可采用壁纸刀；

步骤七：根据上述所设计整体热防护结构在Solidworks中进行相同尺寸的建模，然后导入到模拟软件中，进行网格划分，材料设定及边界条件的设置。将所设计结构和材料的相关热传递系数进行设置，通过同场景的边界条件设计，进行数值模拟热传递过程，观察在目标热防护时长下，冷面的温度。如果数值模拟结果没有满足要求，视需优化支撑层厚度、夹层连接件的数量及排布形式、各层的材料，调整数值模拟的参数，重复步骤一至步骤六，直至得到满足要求的数值模拟结果；

步骤八：根据数值模拟结果，确定最终结构，制备400×400mm尺寸20mm厚的TC4金属板材作为支撑板1，确保板材的质地均匀各部分性能一致；

步骤九：根据数值模拟结果，采购20mm直径的TC4圆柱，将整根TC4圆柱采用线切割分为4.5mm长度的圆柱，然后采用砂纸打磨，去除切合氧化部分，避免影响焊接性能，使打磨完的支柱满足4mm厚度且上下连接面的平整光滑，不夹杂杂质；

步骤十：根据数值模拟结果，同样制备隔热层2，将整张气凝胶毡裁剪为400×400mm，厚度为4mm的小块，在连接体3的连接位置进行孔位的抠除，如图10和11所示，对孔位扣除过程可采用壁纸刀，保证其空位与连接体3能够紧密配合，起到限位的作用，确保其能够合理固定及填充紧实，填充气凝胶隔热层保证夹层之间的填充达到95％以上；

步骤十一：选择硬钎焊对连接体3与支撑板1焊接，硬钎焊的钎料熔点高于450℃，接头强度较高(大于200MPa)，保证两者之间连接稳固达到基体金属强度的80％以上。在完成连接体3与支撑板1的一侧焊接后，在对应位置放入上隔热层2，确保隔热层2孔位与连接体3结合紧密，隔热层2不发生偏移，然后再进行另一层支撑板1的焊接，按照上述步骤将支撑板1、隔热层2和连接体连接固定，直至整体层板制造完成。

实施例6

本实施例提供一种对实施例1-4中的热防护结构的一体化制造设计方法，一体化制造方法包括以下步骤：

步骤一：根据实际需求设计热防护结构尺寸，例如实际需求面积较小时，选择一体化制造方法；

步骤二到四与实施例5的分体制造方案一致；

步骤五：根据实际性能要求选择连接体的材料和结构，确定连接体的数量和不对称排布位置。选择每隔热空间内连接体分布尽量保持最大错位距离，连接体的材料与支撑板材料相同选择TC4，为了减轻整个热防护结构的重量并减缓热量传递，连接件能够开设减重孔；

步骤六：根据应用场景选择隔热层的形态，根据板材的固定方式、连接体形式和是否封闭选择不同形态的气凝胶进行填充，保证气凝胶与连接体能够紧密配合，起到固定的作用；

步骤七与分体制造方案一致；

步骤八：确定最终热防护结构方案后，采用3D打印技术，对除隔热层以外的部分进行一体化制造；

步骤九：确定金属TC4材料后，采购3D打印原料，选择粉末状或丝状，在制造零件时，需确保所用原料为同一批次，在原材料形态选择中，优先选用粉状原料；

步骤十：根据原材料的形态和热防护结构形式确定金属增材制造的具体工艺，在此工艺中优先选用激光选区熔化或电子束选区熔化技术；

步骤十一：选取不同工艺参数，包括激光功率、扫描速度和铺粉厚度，查看不同工艺参数的成形质量，选取最优工艺参数进行后续制造；

步骤十二：对成形零件进行减材修整，去除成形后的毛刺，修整最上表面及最下表面的表面光洁度，使得其表面粗糙度小于等于Ra1.6，确保上下表面的表面平整，无凹槽，气孔缺陷；

步骤十三：选取隔热层的气凝胶形态，优先选取液态气凝胶，直接浇灌进一体化制造的骨架，或采用其他形态的气凝胶进行填充操作，尽量保证填充紧实充分，填充达到95％以上。

需要说明的是本实用新型中的热防护结构中的支撑板数量并不限于4个或其他数量如5个或6个，不少于3个即可，可以根据需求设置支撑板数量。本实用新型中的热防护结构中的连接体并不限于以上实施例中的形式，还可以是3D-Kagome点阵结构、体心立方体BCC点阵结构、BCC-Z点阵结构、面心立方FCC点阵结构、Octet点阵结构或微桁架，或者其他结构均可。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种热防护结构，其特征在于，包括至少三个平行且间隔设置的支撑板，相邻的两个所述支撑板之间设置有至少一个连接体，各所述连接体两端分别与相邻的两个所述支撑板固定连接，同一所述支撑板两侧固定所述连接体的位置交错分布，相邻所述支撑板与所述连接体形成隔热空间，所述隔热空间内填充隔热材料形成隔热层，所述隔热层与所述相邻支撑板和所述连接体紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，所述支撑板和所述连接体的材料为钛合金、高温合金或耐热钢。

3.根据权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，所述隔热材料为气凝胶。

4.根据权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，所述连接体为支柱、四面体点阵结构、金字塔点阵结构、3D-Kagome点阵结构、体心立方体BCC点阵结构、BCC-Z点阵结构、面心立方FCC点阵结构、Octet点阵结构、微桁架或波纹板。

5.根据权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，所述支撑板与所述连接体通过焊接固定连接或采用3D打印技术一体化制造。

6.根据权利要求5所述的热防护结构，其特征在于，所述支撑板与所述连接体通过钎焊固定连接。

7.根据权利要求1所述的热防护结构，其特征在于，所述连接体上开设有减重孔。

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