柔性熱防護結構的熱力耦合回響研究

《柔性熱防護結構的熱力耦合回響研究》是依託浙江大學，由徐彥擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：柔性熱防護結構的熱力耦合回響研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：徐彥
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

柔性熱防護結構適用於充氣式空間站和月球殖民基地居住艙的輕質熱防護設計。結構在嚴酷熱環境下的熱力耦合效應顯著，是熱防護結構設計中值得研究的問題之一。本項目針對目前柔性熱防護結構的熱力耦合回響研究中的一些關鍵科學問題開展深入研究。針對柔性熱防護結構存在傳導-輻射耦合和曲面互相遮擋等複雜傳熱問題，提出適於出現褶皺的複雜薄膜結構的輻射換熱分析策略，進而發展層合薄膜的三維瞬態傳熱分析方法。基於改進的彈簧質點系統，建立薄膜褶皺的三維形態預測模型。分析熱載荷下的褶皺回響，並研究熱致褶皺的產生機理。在此基礎上，發展完善的熱力耦合回響分析框架，用以分析結構溫度場分布、熱應力、熱變形和熱致褶皺等，進而揭示瞬態傳熱和結構力學回響之間的相互影響規律。研究設計參數對柔性熱防護結構性能的影響，實現防熱/承載一體化設計，為柔性防護結構設計和工程套用提供技術支撐。

結題摘要

柔性熱防護結構適用於充氣式居住艙和火星著陸器的輕質熱防護系統，一般由柔性的多層層合薄膜構成。在嚴酷的太空熱或者氣動熱環境下，柔性熱防護的熱力耦合效應顯著，是柔性太空飛行器結構設計中亟待解決的關鍵問題之一。本項目針對目前柔性熱防護結構的熱力耦合回響研究中的一些關鍵科學問題開展深入研究。針對柔性熱防護結構存在傳導-輻射耦合和曲面互相遮擋等複雜傳熱問題，推導了層合薄膜曲面單元瞬態傳熱的有限元法求解格式，發展了層合薄膜的三維瞬態傳熱分析方法，並用於分析拋物面型層合薄膜的在軌瞬態傳熱過程。改進了現有的彈簧質點系統，建立了薄膜結構褶皺的三維形態預測模型，編制了相應的數值仿真程式。採用非接觸測量系統，完成了層合薄膜的褶皺形態實驗，進而驗證了褶皺預測模型的正確性。基於非線性屈曲理論，實現了層合薄膜在空間熱環境下的褶皺三維形態分析，從而揭示了熱致褶皺的產生機理。基於順序耦合分析框架，完成了柔性熱防護的熱力耦合回響研究。基於商業軟體二次開發技術編制了柔性熱防護的熱力耦合分析程式，分析了太空居住艙柔性熱防護在軌運行時的瞬態溫度場和熱回響（熱應力、熱變形和熱致褶皺等），進而揭示瞬態傳熱和結構力學回響之間的相互影響規律，從而實現防熱/承載一體化設計。本項目的研究成果為充氣式居住艙和火星著陸器的柔性防護結構設計和套用提供技術支撐。