再入航天器陶瓷拐角環(huán)防熱計(jì)算與結(jié)構(gòu)適用性分析

李偉杰劉峰董彥芝張幸紅

（1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

（2哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所，哈爾濱 150001）

1 引言

可靠的防熱技術(shù)和先進(jìn)的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料是再入航天器成功返回的重要條件。對(duì)于再入航天器應(yīng)用的防熱結(jié)構(gòu)，美國(guó)航天飛機(jī)的翼前緣部位應(yīng)用的是增強(qiáng)C/C材料[1]，航天飛機(jī)再入時(shí)經(jīng)受的熱流環(huán)境分別為，中間底部結(jié)構(gòu)位置的峰值熱流約為60kW/m2，翼前緣處峰值熱流為600kW/m2；Apollo飛船指揮艙的防熱結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)形式，迎風(fēng)面球半徑為4.693 92m[2]。防熱材料采用Avcoat 5026-39/HC-G，為玻璃填充環(huán)氧樹(shù)脂材料，密度為497kg/m3，防熱層厚度根據(jù)局部熱環(huán)境的不同呈現(xiàn)非均勻分布，該防熱結(jié)構(gòu)的燒蝕溫度能夠達(dá)到922K[3]。

除上述幾種防熱材料外，近年來(lái)超高溫陶瓷受到航天科研人員的高度重視，美國(guó)、意大利等國(guó)更是將其作為在研再入飛行器防熱結(jié)構(gòu)（包括美國(guó)SHARP項(xiàng)目、意大利SHS項(xiàng)目等）的重要候選材料。所謂超高溫陶瓷，是指在超高溫環(huán)境及反應(yīng)氣氛中能夠保持物理和化學(xué)穩(wěn)定性的一類特殊材料，這類材料具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率及良好的抗氧化能力等特性，是極端環(huán)境下使用的新型耐高溫結(jié)構(gòu)材料[4]。超高溫陶瓷的相關(guān)研究結(jié)果表明，ZrB2-20vol%SiC材料體系具有較好的防熱性能[5-6]。

本文針對(duì)再入航天器的典型防熱結(jié)構(gòu)——后端防熱拐角環(huán)部件，應(yīng)用超高溫陶瓷（ZrB2-20vol%SiC）作為拐角環(huán)防熱結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用有限元模擬方法，計(jì)算了超高溫陶瓷拐角環(huán)在近地軌道及探月返回再入熱環(huán)境下的溫度場(chǎng)。根據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，本文針對(duì)超高溫陶瓷作為再入航天器防熱結(jié)構(gòu)材料的適用性進(jìn)行了分析。

2 結(jié)構(gòu)建模

2.1 結(jié)構(gòu)及模型

針對(duì)超高溫陶瓷拐角環(huán)防熱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，利用ABAQUS有限元分析軟件，建立了拐角環(huán)結(jié)構(gòu)的熱響應(yīng)分析模型。結(jié)構(gòu)有限元模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1所示。熱響應(yīng)有限元模型采用熱傳導(dǎo)分析的實(shí)體單元。

圖1 拐角環(huán)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分Fig.1 Structure and mesh of the aft ring

在進(jìn)行拐角環(huán)結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析計(jì)算時(shí)，選取拐角環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面共7個(gè)典型的特征點(diǎn)P1～P7，分別代表第一到第七個(gè)特征點(diǎn)，如圖2所示。其中特征點(diǎn)P1～P4為拐角環(huán)結(jié)構(gòu)外表面由上至下的4個(gè)特征點(diǎn)位置，特征點(diǎn)P5～P7為拐角環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面由上至下的3個(gè)特征點(diǎn)位置。除了上述7個(gè)特征點(diǎn)位置之外，本文在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)外表面及內(nèi)表面的最高溫度特征位置同樣給予了分析。

圖2 拐角環(huán)結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)分布Fig.2 Distribution of characteristic points on the aft ring

2.2 材料參數(shù)

超高溫陶瓷拐角環(huán)結(jié)構(gòu)材料（ZrB2-20vol%SiC）的密度為5 460kg/m3，發(fā)射率為0.8，密度及發(fā)射率參數(shù)假設(shè)為定值，不隨溫度的變化而變化。ZrB2超高溫陶瓷的熱導(dǎo)率及比熱容等性能參數(shù)如表1所示。

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2.3 再入熱環(huán)境

計(jì)算分析假設(shè)拐角環(huán)結(jié)構(gòu)初始溫度為300K。圖3為拐角環(huán)結(jié)構(gòu)模型的熱流密度加載圖，加載區(qū)域?yàn)楣战黔h(huán)結(jié)構(gòu)的外表面。考慮最嚴(yán)格條件，所有區(qū)域均勻加載。

圖3 拐角環(huán)結(jié)構(gòu)模型熱流加載Fig.3 Loading of heat flux on the aft ring

計(jì)算所用熱環(huán)境條件說(shuō)明如下：1）對(duì)于近地軌道再入，采用某航天器再入熱環(huán)境條件，再入起始時(shí)刻（t=0s）為距離地面約100km高度，峰值熱流密度出現(xiàn)在250s時(shí)刻，為1.3MW/m2，再入加熱時(shí)間為530s，計(jì)算總時(shí)間為550s，熱流密度隨再入時(shí)間連續(xù)變化；2）對(duì)于探月返回再入，采用Apollo飛船指令艙再入時(shí)的拐角處熱流密度環(huán)境，因再入熱環(huán)境數(shù)據(jù)有限，取峰值熱流密度出現(xiàn)在1 000s，為2.5MW/m2。計(jì)算初始時(shí)刻（t=0s）及加熱結(jié)束時(shí)刻（t=2 000s），熱流均為 0，計(jì)算總時(shí)間取 2 200s。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 近地軌道再入

在近地軌道再入熱環(huán)境下，超高溫陶瓷拐角環(huán)結(jié)構(gòu)7個(gè)特征點(diǎn)的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。對(duì)于特征點(diǎn)P1在近地軌道再入條件下的溫度場(chǎng)，隨著再入時(shí)間的推進(jìn)，特征點(diǎn)P1處的溫度也逐漸增大，當(dāng)加熱時(shí)間持續(xù)到271.7s時(shí)，溫度達(dá)到最高，為1 542.7K。隨后，該位置的溫度開(kāi)始緩慢下降。這是因?yàn)?，在給定再入熱環(huán)境作用下，熱流加載使得結(jié)構(gòu)表面溫度上升，同時(shí)由于超高溫陶瓷本身與外界存在輻射換熱，兩者共同作用使表面溫度發(fā)生變化。在溫度達(dá)到峰值之前，熱流加載使得溫度上升的貢獻(xiàn)大于結(jié)構(gòu)與外界輻射換熱使得溫度下降的貢獻(xiàn)。當(dāng)溫度達(dá)到峰值過(guò)后，結(jié)構(gòu)與外界輻射換熱使得溫度下降的貢獻(xiàn)開(kāi)始起主導(dǎo)作用，超過(guò)熱流加載使得溫度上升的貢獻(xiàn)，因此，結(jié)構(gòu)表面溫度表現(xiàn)為逐漸下降。在計(jì)算總時(shí)間（550s）區(qū)間內(nèi)，可以看出，在530s再入加熱結(jié)束時(shí)刻，特征點(diǎn)P1處的溫度開(kāi)始明顯下降，因?yàn)榇藭r(shí)結(jié)構(gòu)溫度的變化僅僅來(lái)自于結(jié)構(gòu)與外界輻射換熱使得溫度下降這一貢獻(xiàn)。

對(duì)于結(jié)構(gòu)外部其他特征點(diǎn)（P2、P3、P4）的溫度場(chǎng)，其隨時(shí)間變化的規(guī)律與特征點(diǎn)P1相似，如圖4所示。隨著加熱時(shí)間的增大，各特征點(diǎn)溫度逐漸增大，當(dāng)加熱時(shí)間持續(xù)到約270s時(shí)，溫度分別達(dá)到最高。在加熱過(guò)程中，結(jié)構(gòu)外部其他特征點(diǎn)同樣存在熱流加載使得溫度上升以及結(jié)構(gòu)與外界輻射換熱使得溫度下降這兩方面的作用。在530s熱流加載結(jié)束后，特征點(diǎn)、溫度開(kāi)始明顯下降。

再入過(guò)程中，拐角環(huán)結(jié)構(gòu)外部最高溫度最大值所在特征點(diǎn)的溫度場(chǎng)標(biāo)記為Pout-Tmax，如圖4所示，在272.5s時(shí)刻，該位置溫度達(dá)到最大，為1 555.5K。

圖5給出了再入過(guò)程中拐角環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面3個(gè)特征點(diǎn)位置（P5、P6、P7）的溫度場(chǎng)，隨著熱流加載時(shí)間的增加，特征點(diǎn)P5位置的溫度也逐漸升高，在200s之前，溫度升高并不明顯，這是因?yàn)楣战黔h(huán)結(jié)構(gòu)有一定的厚度，在外部受到熱流載荷以后，由外向內(nèi)的傳熱存在一個(gè)過(guò)程。隨后，P5位置的溫度開(kāi)始有所升高，尤其是在加載時(shí)間超過(guò)300s以后，溫度上升逐漸明顯，當(dāng)時(shí)間為550s，即為計(jì)算結(jié)束時(shí)刻，P5位置的溫度達(dá)到443.3K，但溫度變化未出現(xiàn)下降趨勢(shì)，可以看出，在隨后的時(shí)間里，由于拐角環(huán)結(jié)構(gòu)外表面溫度高于內(nèi)表面，因此內(nèi)表面的溫升還將持續(xù)一段時(shí)間。對(duì)于P6及P7特征點(diǎn)的溫度場(chǎng)，如圖5所示，其變化趨勢(shì)與特征點(diǎn)P5相似。

圖5 近地軌道再入熱環(huán)境下拐角環(huán)內(nèi)部特征點(diǎn)溫度場(chǎng)Fig.5 Temperature fields of the characteristic points inside the aft ring reentry from LEO

在530s再入加熱過(guò)程中，拐角環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度最大值所在特征點(diǎn)的溫度場(chǎng)標(biāo)記為Pin-Tmax，如圖5所示，在550s計(jì)算結(jié)束時(shí)刻，該位置溫度為463.4K，也即此時(shí)刻結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升為163.4K。

3.2 探月返回再入

在探月返回再入熱環(huán)境下，拐角環(huán)外部結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)的溫度場(chǎng)如圖6所示。隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，P1位置的溫度逐漸升高，當(dāng)持續(xù)加熱時(shí)間到1 056.7s時(shí)，P1位置的溫度達(dá)到最高，為2 229.7K。結(jié)合近地軌道再入拐角環(huán)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)結(jié)果分析，再入過(guò)程中，結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)同樣由熱流加載使得結(jié)構(gòu)表面溫度上升、結(jié)構(gòu)本身與外界輻射換熱——兩者共同作用使得結(jié)構(gòu)外部溫度發(fā)生變化。在2 000s熱流加載結(jié)束后，特征點(diǎn)的溫度開(kāi)始明顯下降，因?yàn)榇藭r(shí)結(jié)構(gòu)溫度的變化僅僅來(lái)自于結(jié)構(gòu)與外界輻射換熱使得溫度下降這一貢獻(xiàn)。探月返回再入熱環(huán)境下，拐角環(huán)結(jié)構(gòu)外部溫度最高值出現(xiàn)在1 058.4s，最高溫度值為2 352.9K。

圖6 探月返回再入熱環(huán)境下拐角環(huán)外部特征點(diǎn)溫度場(chǎng)Fig.6 Temperature fields of the characteristic points outside the aft ring reentry from the lunar orbit

拐角環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面特征點(diǎn)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖7所示。隨著加熱時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)外表面不斷向內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)換熱。在2 200s計(jì)算結(jié)束時(shí)刻，P5～P7的3個(gè)特征點(diǎn)的溫度分別達(dá)到701.2K、697.7K、725.8K?？梢钥闯?，相比于計(jì)算初始時(shí)刻的300K，P5～P7的3個(gè)特征點(diǎn)在2 200s時(shí)候的溫升分別達(dá)到了401.2K、397.7K及425.8K，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度最高特征點(diǎn)的溫度為731.7K，也即此時(shí)刻結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升為431.7K。

圖7 探月返回再入熱環(huán)境下拐角環(huán)內(nèi)部特征點(diǎn)溫度場(chǎng)Fig.7 Temperature fields of the characteristic points inside aft ring reentry from lunar orbit

4 結(jié)構(gòu)適用性分析

根據(jù)近地軌道及探月返回再入過(guò)程中的拐角環(huán)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，超高溫陶瓷材料的結(jié)構(gòu)在再入過(guò)程中的最高溫度分別為1 555.5K及2 352.9K，結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大溫升分別為163.4K及431.7K。基于此，本節(jié)從材料性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度對(duì)超高溫陶瓷拐角環(huán)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析。

4.1 材料抗高溫性

根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所胡平等人關(guān)于ZrB2超高溫陶瓷的研究成果[5]，ZrB2超高溫陶瓷在電弧風(fēng)洞1.7MW/m2、5.4MW/m2兩種熱流密度條件下各進(jìn)行600s的燒蝕試驗(yàn)。

ZrB2超高溫陶瓷電弧風(fēng)洞燒蝕試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表2。ZrB2超高溫陶瓷在電弧風(fēng)洞條件下的燒蝕形貌，見(jiàn)圖8[5]。試驗(yàn)結(jié)果表明，在1.7MW/m2條件下，結(jié)構(gòu)表面最高溫度達(dá)到1 660℃，試驗(yàn)后，結(jié)構(gòu)無(wú)變化，也即在1.7MW/m2、600s燒蝕條件下，結(jié)構(gòu)保持完好，如圖8（b）所示。在5.4MW/m2條件下，結(jié)構(gòu)表明最高溫度達(dá)到2 330℃，試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)厚度減小0.002 98m，如圖8（c）所示，在結(jié)構(gòu)表面形成了較為明顯的氧化結(jié)構(gòu)，且由于燒蝕過(guò)程中的氣流沖刷及剝蝕，使得結(jié)構(gòu)上端呈現(xiàn)半球狀，說(shuō)明在5.4MW/m2高熱流密度條件下，材料發(fā)生了較為明顯的剝蝕。

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圖8 ZrB2超高溫陶瓷在電弧風(fēng)洞條件下的燒蝕形貌Fig.8 Ablation character of ZrB2UHTCs in arc windtunnel

此外，胡平等人開(kāi)展了氧乙炔焰條件下ZrB2超高溫陶瓷燒蝕10min的試驗(yàn)，如圖9所示[6]。試驗(yàn)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)表面溫度達(dá)到2 200℃的時(shí)間持續(xù)約500s。試驗(yàn)后，結(jié)構(gòu)氧化層厚度僅為0.000 396m。結(jié)果表明，在此燒蝕條件下，ZrB2超高溫陶瓷具有良好的抗燒蝕能力。

圖9 氧乙炔焰條件下ZrB2超高溫陶瓷燒蝕形貌Fig.9 Ablation character of ZrB2UHTCs under oxyacetylene torch

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，ZrB2超高溫陶瓷在電弧風(fēng)洞1.7MW/m2、5.4MW/m2兩種熱流密度條件下的結(jié)構(gòu)燒蝕響應(yīng)有所不同。結(jié)合近地軌道（峰值熱流密度為1.3MW/m2、550s，最高溫度1 555.5K，即1 282.5℃）及探月返回（峰值熱流密度為2.5MW/m2、2 000s，最高溫度2 352.9K，即2 079.9℃）的再入熱環(huán)境，可以推斷，ZrB2超高溫陶瓷具有較好的抗高溫性能。

4.2 結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性

關(guān)于超高溫陶瓷的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匹配以及工藝匹配。

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匹配，主要是防熱性能匹配。由于超高溫陶瓷熱導(dǎo)率較高，結(jié)構(gòu)外部能夠承受高熱流環(huán)境，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部隔熱的問(wèn)題則成為其結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。目前，研究人員采用低熱導(dǎo)率材料作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)隔熱（包括柔性隔熱氈、纖維隔熱涂層、熱屏蔽材料等），也有學(xué)者提出應(yīng)用功能梯度材料以實(shí)現(xiàn)防熱與隔熱功能一體化[7]。

對(duì)于結(jié)構(gòu)工藝匹配，主要是結(jié)構(gòu)可加工性以及結(jié)構(gòu)連接的匹配。目前應(yīng)用較為廣泛的超高溫陶瓷制備方法主要為熱壓燒結(jié)，所得結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能穩(wěn)定，且能夠滿足大尺寸結(jié)構(gòu)制備及加工要求。由于超高溫陶瓷具有優(yōu)良的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能，因此結(jié)構(gòu)加工工藝廣泛，包括線切割、切削、磨削、銑削等方法，能夠滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形的需求，圖10給出了幾種典型的超高溫陶瓷結(jié)構(gòu)件形式。對(duì)于結(jié)構(gòu)連接，一般采用螺接方式，也可結(jié)合楔形鑲嵌的形式，能夠保證結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度及剛度的要求，如圖10[8-9]所示。

圖10 超高溫陶瓷結(jié)構(gòu)件Fig.10 Structure samples of UHTCs

基于上述分析，應(yīng)用超高溫陶瓷到再入式航天器防熱結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型與加工工藝方面均具有較好的可設(shè)計(jì)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于應(yīng)用超高溫陶瓷到再入式航天器的考慮，計(jì)算并分析了近地軌道及探月返回再入過(guò)程中超高溫陶瓷拐角環(huán)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，再入過(guò)程中結(jié)構(gòu)表面最高溫度分別為1 555.5K及2 352.9K，結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大溫升分別為163.4K及431.7K。通過(guò)對(duì)超高溫陶瓷在熱流密度為1.7MW/m2與5.4MW/m2的電弧風(fēng)洞以及2 200℃氧乙炔焰條件下燒蝕行為的調(diào)研，分析了超高溫陶瓷作為再入航天器防熱結(jié)構(gòu)的適用性。

根據(jù)超高溫陶瓷在近地軌道及探月返回再入熱環(huán)境下的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，以及材料性能及結(jié)構(gòu)適用性分析，可以得出結(jié)論，超高溫陶瓷因其所具有的優(yōu)良的耐高溫及耐燒蝕性能，有可能作為近地軌道及探月返回的再入防熱結(jié)構(gòu)材料。

后續(xù)相關(guān)研究，將基于再入過(guò)程中超高溫陶瓷防熱結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)本征力學(xué)性能，對(duì)超高溫陶瓷的防熱結(jié)構(gòu)適用性予以進(jìn)一步分析。

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