相變材料在防熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝亮

摘 要：航天技術(shù)的發(fā)展使得飛行器內(nèi)部儀器設(shè)備的功耗和熱流密度不斷增大，給飛行器熱控設(shè)計(jì)帶來新的困難，同時(shí)也為相變材料的應(yīng)用提供了機(jī)遇。文章以某型號高超聲速飛行器被動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)為工程背景，介紹了TPS設(shè)計(jì)方案和相變材料的特點(diǎn)，在MSC.Patran平臺上建立了曲板結(jié)構(gòu)TPS三維有限元模型，應(yīng)用MSC.Nastran軟件進(jìn)行了溫度場分析，所得結(jié)論對工程應(yīng)用具有實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：相變材料；防熱系統(tǒng)；應(yīng)用

中圖分類號：TB34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0147-02

Abstract： With the development of spaceflight technology， the power consumption and heat flux density of the internal instruments are increasing， which brings new difficulties to the thermal control design of aircraft， and also provides an opportunity for the application of phase change materials. Based on the project design of a certain type of hypersonic vehicle passive thermal protection system， this paper introduces the design scheme of TPS and the characteristics of phase change materials. The TPS 3D finite element model of curved plate structure is established on the platform of MSC.Patran， and the temperature field is analyzed by MSC.Nastran software. The conclusions are of practical value for engineering application.

Keywords： phase change material； thermal protection system； application

1 概述

高超聲速一般指的是流動(dòng)或飛行的速度超過5倍聲速[1]，以高機(jī)動(dòng)性、遠(yuǎn)距離精確打擊為主要技術(shù)特征的高超聲速飛行器已成為航空航天的主要發(fā)展方向，將在未來國家安全中起著重要作用[2]。根據(jù)國外文獻(xiàn)報(bào)道，熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS-Thermal Protection System）已經(jīng)成為未來可重復(fù)使用運(yùn)載器隔熱的主要發(fā)展趨勢[3，4]，作為具有優(yōu)異吸熱性能的相變材料在TPS中必然發(fā)揮著不可替代的作用。

本文簡要介紹了TPS設(shè)計(jì)方案，初步討論相變材料在被動(dòng)防熱中的應(yīng)用。

2 TPS設(shè)計(jì)被動(dòng)式設(shè)計(jì)方案

在被動(dòng)防熱方案中，熱量由表面輻射出去或被吸收，被動(dòng)防熱方案主要包含熱沉結(jié)構(gòu)、熱結(jié)構(gòu)以及隔熱結(jié)構(gòu)三種形式。

吸收式TPS定義為熱沉結(jié)構(gòu)。顧名思義，這種結(jié)構(gòu)形式依靠自身的熱容吸收熱量，可應(yīng)用于短時(shí)氣動(dòng)加熱。

以輻射方式空間散熱的TPS定義為熱結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的外部蒙皮采用了耐高溫材料，這種耐高溫材料通常是涂層防護(hù)，該結(jié)構(gòu)雖然可以應(yīng)用于較長時(shí)間的氣動(dòng)加熱，但有一個(gè)可承受總熱量的限制值。

兼有熱沉結(jié)構(gòu)和熱結(jié)構(gòu)特征的TPS定義為隔熱結(jié)構(gòu)。增加相變材料，則在保證隔熱效果的同時(shí)，能夠減小隔熱材料的厚度，進(jìn)而達(dá)到減少TPS的重量的目的。

3 相變材料

3.1 相變材料介紹

相變冷卻技術(shù)是利用相變材料的相變過程作為熱控制手段來達(dá)到降溫的目的，其換熱效率高，溫度分布均勻，無局部過熱點(diǎn)，可靠性良好[5]。把相變材料引入熱防護(hù)系統(tǒng)之中，正是利用相變材料的上述特點(diǎn)。

3.2 相變材料在TPS中的應(yīng)用價(jià)值

相變材料在TPS中的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在：（1）可以有效地降低隔熱材料的厚度，從而也減少了TPS的重量；（2）相變材料可以吸收隔熱材料透射過來的盈余熱量，阻止溫度向冷面結(jié)構(gòu)傳遞。

3.3 相變材料在TPS中的位置

相變材料放置在TPS的隔熱材料和中的冷面結(jié)構(gòu)之間（圖1）。由于隔熱材料的作用，氣動(dòng)熱傳遞到相變材料表面時(shí)，溫度已經(jīng)大大降低（小于200℃），這時(shí)，TPS對相變材料的要求也降低了。

4 有限元計(jì)算

為了考證相變材料的隔熱性能，選取曲班板結(jié)構(gòu)TPS，各層連接方式見圖1，在TPS上表面（熱面）施加溫度載荷，在TPS下表面（冷面）施加自然對流邊界條件，在TPS側(cè)面施加絕熱邊界條件。溫度載荷計(jì)算模型分為沒有相變材料、相變材料厚度為0.5mm、1.0mm和1.5mm四種情況（增加相變材料時(shí)，減少隔熱材料相同厚度，即保持TPS總厚度不變）。有限元模型見圖2。計(jì)算結(jié)果分別見圖3～圖6。

5 結(jié)束語

在TPS中應(yīng)用相變材料可以有效地冷面溫度，算例表明：當(dāng)熱面施加1400℃溫度載荷時(shí)，如果沒有相變材料，TPS冷面溫度達(dá)到120℃；當(dāng)相變材料厚度為0.5mm時(shí)，TPS冷面溫度達(dá)到100℃；當(dāng)相變材料厚度為1.0mm時(shí)，TPS冷面溫度達(dá)到80℃；當(dāng)相變材料厚度為1.5mm時(shí)，TPS冷面溫度達(dá)到68℃。說明了相變材料在TPS中有著不可替代的作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]楊亞政，楊嘉陵，方岱寧.高超聲速飛行器熱防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)與力學(xué)，2008，29（1）：47-56.

[3]SHAUCGHNESSY JD， PINCKNEY SZ， MCMINN JD， et al. Hypersonic vehicle simulation model； winged-cone configuration[R]. NASA TM-102610，1990.

[4]王琪，吉庭武，肖曼玉，等.輕質(zhì)熱防護(hù)系統(tǒng)多層材料組合結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析[R]，應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2013，V34（7）：742-749.

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[6]程文平，劉習(xí)武，胡慶松.關(guān)于太陽能相變蓄熱系統(tǒng)的研究與分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（03）：65.endprint