某型充氣式再入減速熱防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

黃明星 王偉志

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

某型充氣式再入減速熱防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

黃明星 王偉志

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，充氣式再入返回技術(shù)逐步成為國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。文章以充氣式再入返回系統(tǒng)為背景，對(duì)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析。首先，參考美國(guó)充氣式再入返回試驗(yàn)中典型的充氣式再入返回系統(tǒng)熱防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的一維傳熱模型。然后，根據(jù)差分算法，推導(dǎo)出了柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各功能層傳熱控制方程的離散格式。文章以材料的耐熱能力為約束條件，柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各功能層的材料和鋪層這兩個(gè)參數(shù)為優(yōu)化變量，得到了給定熱邊界條件下柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。最后，通過(guò)差分算法計(jì)算出柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各功能層再入過(guò)程中的溫度響應(yīng)，并用ANSYS有限元方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明各功能層的材料分別為Nextel720、Refrasil 2000、Upilex，對(duì)應(yīng)的鋪層數(shù)分別為 1、3、1時(shí)，為最優(yōu)的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，此時(shí)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的面密度為2.128kg/m2。

充氣再入 氣動(dòng)熱 優(yōu)化設(shè)計(jì) 熱防護(hù) 航天返回

0 引言

隨著充氣式再入返回技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，其關(guān)鍵的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)也日益成為人們研究的熱點(diǎn)。充氣式再入返回的熱防護(hù)系統(tǒng)（thermal protection system，TPS）采用了結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)的一體化設(shè)計(jì)，其熱防護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要承受熱載荷，而且還要承受再入、減速過(guò)程的氣動(dòng)載荷，因此必須考慮材料的高溫變形和溫度對(duì)材料性能的影響，另外高溫下材料的氣體滲漏性也必須極低。此外，為了保證其氣動(dòng)性能，充氣式再入返回系統(tǒng)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)充氣后也不能有較大的形變[1-3]。

充氣式再入返回系統(tǒng)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)由防熱層、絕熱層、氣密層組成。防熱層位于TPS的最外面，承受最高的溫度和剪切應(yīng)力，主要用來(lái)阻隔熱流。防熱層多使用高強(qiáng)輕質(zhì)的柔性編織材料，如氧化鋁纖維（Nextel）、碳纖維等。中間的絕熱層承受的溫度較防熱層低，主要用來(lái)防止熱流向TPS內(nèi)部傳遞，多使用碳纖維隔熱氈布、無(wú)定形二氧化硅隔熱氈布等。氣密層用來(lái)防止氣體滲漏，保持充氣結(jié)構(gòu)的形狀，多使用聚酰業(yè)胺（Kapton）薄膜[4]。圖1為充氣式再入返回試驗(yàn)（inflatable reentry vehicle experiment，IRVE）系列典型充氣再入系統(tǒng)，其中是紅色部分為柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。圖2為IRVE的一種基準(zhǔn)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)[5]。

圖1 IRVE系統(tǒng)Fig.1 System of IRVE

圖2 柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Flexible thermal protection structure

國(guó)內(nèi)充氣式再入返回系統(tǒng)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)還處于理論研究階段，國(guó)外大多是通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)來(lái)研究不同材料、結(jié)構(gòu)的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的熱學(xué)性能及力學(xué)性能[5-6]。

本文以充氣式再入返回系統(tǒng)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立了柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的一維傳熱模型，然后采用差分算法對(duì)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)功能層鋪層及材料分別進(jìn)行優(yōu)化分析，得到滿足防熱要求且質(zhì)量最小的設(shè)計(jì)方案。最后通過(guò)差分算法及ANSYS軟件仿真對(duì)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案再入過(guò)程各功能層的溫度響應(yīng)進(jìn)行估算，并用ANSYS仿真結(jié)果對(duì)差分算法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 模型描述與求解

本文的研究對(duì)象為采用鈍—錐外型的充氣式再入系統(tǒng)如圖 3所示，外形參數(shù)參考 IRVE的設(shè)計(jì)先例[7-8]，剛性球頭半徑r=0.3m。錐體部分采用可充氣展開(kāi)的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，半錐角為60°，展開(kāi)的底部半徑為 2.05m?？紤]到充氣式再入系統(tǒng)從空間站返回的情況，再入高度可取110km，再入速度取第一宇宙速度7.8km/s，再入角為–2°。

1.1 柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱模型

充氣式再入返回系統(tǒng)再入過(guò)程中熱環(huán)境不斷變化，所以對(duì)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各功能層溫度響應(yīng)的求解可以看作非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的導(dǎo)熱問(wèn)題[7]。文獻(xiàn)[8]中Patran Thermal和Thermal Desktop等軟件仿真結(jié)果表明只考慮一維傳熱精度就足以滿足計(jì)算要求。因?yàn)槲闹胁捎貌罘中问綄?duì)傳熱控制方程進(jìn)行離散，所以建立柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)一維傳熱的差分傳熱模型。

柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)由防熱層、絕熱層、氣密層 3個(gè)功能層組成，每一功能層都由很多鋪層緊密結(jié)合而成，其由外向內(nèi)的厚度方向設(shè)為x，只考慮沿著厚度方向的一維傳熱，如圖4所示。把柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各功能層離散成單元，防熱層、絕熱層、氣密層的內(nèi)部離散單元厚度分別為ΔxF、ΔxJ、ΔxQ，下標(biāo)F、J、Q分別表示防熱層、絕熱層、氣密層。為了更加準(zhǔn)確的確定表面單元的溫度，表面單元厚度為內(nèi)部單元的一半。圖中T表示溫度，下標(biāo)u、v、w則表示相應(yīng)功能層最后一個(gè)離散單元編號(hào)。每個(gè)功能層的單元數(shù)可以根據(jù)求解方程穩(wěn)定性要求而相應(yīng)增加。T∞、H分別是氣密層內(nèi)側(cè)空氣溫度和對(duì)流傳熱系數(shù)。

圖3 展開(kāi)的充氣式再入返回系統(tǒng)Fig. 3 Deployed inflatable reentry vehicle

圖4 柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)一維傳熱模型Fig. 4 One dimensional thermal model of flexible thermal protection structure

由于柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各功能層內(nèi)部鋪層是緊密粘連在一起，故在分析其傳熱時(shí)有如下假設(shè)[6]：

1）只考慮固體之間的熱傳導(dǎo)，不考慮輻射和對(duì)流；

2）各功能層的接觸面的接觸熱阻相同且不隨著溫度變化，不考慮功能內(nèi)部的接觸熱阻。

1.2 材料參數(shù)與控制方程

根據(jù)能量守恒原理和傅里葉定律建立不穩(wěn)定溫度場(chǎng)差分方程。將柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)劃分單元，各接觸面溫度如上圖4所示。單元的控制方程為[9]：

式中 ρ、c、λ分別是材料的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；t為時(shí)間。

使用古典顯式差分格式，時(shí)間方向取向前差分，空間方向的二階導(dǎo)數(shù)取中心差分[10-11]，對(duì)單元的控制方程進(jìn)行離散有：

式中 Δt為時(shí)間間隔；Δx為各功能層離散單元的厚度；下標(biāo)m表示內(nèi)部離散單元編號(hào)；上標(biāo)p表示時(shí)間離散點(diǎn)。

對(duì)于防熱層中間單元，由有限差分分析可以得到其顯式離散格式：

式中 下標(biāo)i為功能層中鋪層編號(hào)。

對(duì)于絕熱層中間單元有：

對(duì)于氣密層中間單元有：

如果考慮各功能層之間的接觸熱阻，那么各功能層的接觸面溫度將不再相等，假設(shè)防熱層與絕熱層的接觸熱阻為R1，絕熱層與氣密層的接觸熱阻為R2，對(duì)于接觸處單元，其離散形式分別為：

1）對(duì)于防熱層與絕熱層接觸單元有：

2）對(duì)于絕熱層與氣密層接觸單元有：

對(duì)于氣密層的右邊界條件有：

數(shù)值差分算法求解初值和邊值問(wèn)題，每步計(jì)算總會(huì)產(chǎn)生舍入誤差，為了保證有限差分格式計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，必須使所求溫度單元前一時(shí)刻有關(guān)的系數(shù)不能小于零，必須滿足[11]

因此在用古典顯式差分格式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，必須根據(jù)結(jié)果的穩(wěn)定與否來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整求解的時(shí)間步長(zhǎng)及空間步長(zhǎng)，從而確保求出正確的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各功能層的再入溫度響應(yīng)。

圖5 柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)外熱流變化曲線Fig.5 External heat flux of flexible thermal protection structure

1.3 邊界條件與初始條件

柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的防熱層外邊界為壁面邊界條件，其再入過(guò)程的熱流變化可以根據(jù)工程算法計(jì)算給出，如圖5所示，圖中q為熱流密度，其最大值約為34W/cm2。再由柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)表面能量守恒關(guān)系得到其溫度變化，以此作為差分計(jì)算時(shí)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)防熱層外表面的溫度。在t=200s處是自由分子流與過(guò)渡流的分界點(diǎn)，因?yàn)闊崃饔?jì)算橋函數(shù)的原因，此處出現(xiàn)了奇點(diǎn)。

柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)氣密層內(nèi)側(cè)并不是完全絕熱，故采用對(duì)流邊界條件，對(duì)流系數(shù)可根據(jù)對(duì)流環(huán)境[12]初步取為40W/(m2·K)。柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各功能層在再入過(guò)程開(kāi)始時(shí)的初始溫度都取為293K。

2 柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

充氣式再入返回系統(tǒng)返回過(guò)程中，其柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的表面溫度可以達(dá)到1 000K以上，因此必須有足夠的厚度以達(dá)到防熱目的，但是另一方面，為了方便折疊包裝，降低成本，又要求柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度和質(zhì)量越小越好。下面對(duì)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防熱與質(zhì)量的一體化優(yōu)化。

2.1 約束條件和優(yōu)化目標(biāo)、方法

充氣式再入返回系統(tǒng)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的防熱層、絕熱層、氣密層厚度分別為hF、hJ、hQ，各功能層每種材料的鋪層厚度分別為hF0、hJ0、hQ0，鋪層厚度一般與材料的品牌/型號(hào)相關(guān)，且為定值。各功能層的鋪層層數(shù)分別為kF、kJ、kQ則有：

各功能層材料最高使用溫度分別為T(mén)Flim、TJlim、TQlim，每一種材料選擇方案中防熱層、絕熱層、氣密層的最高溫度分別為T(mén)Fmax、TJmax、TQmax。為了求出滿足要求的且質(zhì)量最小的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，列出優(yōu)化的約束條件及目標(biāo)函數(shù)[13]。

約束條件為：

為了使柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量盡可能的小，選取柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)面密度為目標(biāo)函數(shù)：

式中 M為柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的面密度。

優(yōu)化過(guò)程分為材料優(yōu)化及厚度優(yōu)化兩個(gè)方面。首先從備選的材料中選出可能滿足方案的防熱層、絕熱層和氣密層材料，對(duì)于每一種材料組成方案可求出分別滿足三個(gè)約束條件的 kF、kJ、kQ，每個(gè)約束方程求出的kF、kJ、kQ都在三維空間構(gòu)成一個(gè)可行區(qū)域，然后把這三個(gè)可行區(qū)域進(jìn)行疊加，得到的可行區(qū)域就是能滿足三個(gè)約束條件的鋪層數(shù)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)找出目標(biāo)函數(shù)最小值，最后通過(guò)比較不同的材料方案的最小目標(biāo)函數(shù)，從而求出面密度最小的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.2 差分算法對(duì)熱防護(hù)層的優(yōu)化

為了求出目標(biāo)函數(shù)的最小值，在常用的柔性熱防護(hù)材料[7,14]中選取了可能滿足各層最大使用溫度的功能層材料。其中防熱層材料選擇氧化鋁纖維織布Nextel 720，因?yàn)榉罒釋硬牧现醒趸X纖維織布Nextel 720與Nextel 440的熱學(xué)參數(shù)基本相同，但前者密度更小[15]。絕熱層選取三種材料，氣密層選取兩種材料，材料選擇如表1，柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)典型材料的熱學(xué)參數(shù)可以參考文獻(xiàn)[8]中的數(shù)據(jù)。

假設(shè)每個(gè)功能層只選一種材料，表中可組合出6種可能的材料選擇方案。每一種材料選擇方案，其每個(gè)功能層的鋪層數(shù)都可以變化，參考充氣式再入返回系統(tǒng)相關(guān)的文獻(xiàn)[16-17]，其熱防護(hù)結(jié)構(gòu)每個(gè)功能層的鋪層數(shù)一般不超過(guò)10，所以在優(yōu)化過(guò)程中設(shè)置每功能層的最大鋪層數(shù)為10層，故每一種材料選擇方案都有1 000種鋪層設(shè)計(jì)。采用差分算法編程對(duì)6種材料選擇方案分別優(yōu)化求解，求出滿足使用溫度條件的最小熱防護(hù)層面密度。圖6是進(jìn)行柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的編程流程圖。

表1 柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇方案Tab.1 Material selection of flexible thermal protection structure

圖6 優(yōu)化流程圖Fig.6 Optimization flow

以下對(duì) 6種材料選擇方案其中一種的優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。當(dāng)各功能層材料選為：Nextel 720、Refrasil 2000、Kapton時(shí)，該材料選擇方案1 000種鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果如下：圖7～9分別是柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)在不同鋪層數(shù)下TFmax、TJmax、 TQmax分布的四維描述。圖中沿著絕熱層鋪層數(shù)方向設(shè)置了 10個(gè)切片圖，每個(gè)切片圖表示相同絕熱層材料鋪層數(shù)，及不同防熱層、氣密層鋪層數(shù)設(shè)計(jì)方案的溫度分布。

圖7 各鋪層數(shù)下的絕熱層外表面溫度響應(yīng)Fig.7 Upper surface temperature response of outer fabric

圖8 各鋪層數(shù)下的氣密層外表面溫度響應(yīng)Fig.8 Upper surface temperature response of insulator

從圖中可以看出TFmax、TJmax、TQmax的最小值均小于相應(yīng)功能層材料的最高使用溫度，所以一定有鋪層數(shù)使得溫度滿足約束條件。在數(shù)值求解的過(guò)程中已經(jīng)把不滿足最大使用溫度條件的設(shè)計(jì)方案去除，故圖9中空白表明其部分鋪層數(shù)不能滿足氣密層材料的溫度約束條件。

把圖7～9中分別滿足3個(gè)溫度約束條件的鋪層數(shù)疊加在一起，其交集就是滿足所有溫度約束條件的鋪層數(shù)。

在這些鋪層數(shù)區(qū)域上繪制熱防護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布的四維圖，見(jiàn)圖10。圖中各功能層鋪層數(shù)方案的顏色對(duì)應(yīng)該方案的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的面密度，紅色表示面密度大，藍(lán)色表示面密度小。圖中結(jié)果表明，該材料選擇方案的最優(yōu)鋪層設(shè)計(jì)為：防熱層、絕熱層、氣密層的鋪層數(shù)分別為 1、3、1。此時(shí)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的面密度最小，最小值為2.131kg/m2。

圖9 各鋪層數(shù)下的氣密層內(nèi)表面溫度響應(yīng)Fig.9 Lower surface temperature response of gas barrier

圖10 各鋪層數(shù)下柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布Fig.10 Mass distribution of various number of layers

同理，可以求出其它5種材料選擇方案的最優(yōu)鋪層設(shè)計(jì)。最后的計(jì)算表明：Refrasil 6650的最高使用溫度較低，當(dāng)絕熱層材料選擇Refrasil 6650時(shí)無(wú)論如何都不能同時(shí)滿足3個(gè)約束條件。滿足約束條件的 4種料選擇方案最優(yōu)鋪層設(shè)計(jì)總結(jié)見(jiàn)表 2，其中再入最高溫度是指該熱防護(hù)功能層再入過(guò)程中達(dá)到的最大溫度。從表中可以看出各方案最優(yōu)鋪層設(shè)計(jì)中功能層的再入最高溫度都接近其材料的最高使用溫度。

表2 各材料選擇方案優(yōu)化解的對(duì)比Tab.2 Comparison of optimization among various material selections

上表中列出了柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各材料選擇方案的最優(yōu)鋪層設(shè)計(jì)，下面通過(guò)比較這些材料選擇方案的最優(yōu)鋪層設(shè)計(jì)，來(lái)進(jìn)行柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)化。由于Kapton和Upilex材料熱學(xué)參數(shù)基本相同，所以表中方案一與方案二、方案三與方案四的溫度分布基本相同，但是Upilex密度更小，所以氣密層材料選擇Upilex。

從表中可以看出，柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)材料設(shè)計(jì)為方案四。此時(shí)不僅可以滿足所有的溫度約束條件，而且得到最小的目標(biāo)函數(shù)值，最優(yōu)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的最小面密度為 2.128kg/m2，而文獻(xiàn)[8]中 IRVE的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)其面密度約為2.62kg/m2。

2.3 最優(yōu)設(shè)計(jì)的溫度響應(yīng)及ANSYS驗(yàn)證

對(duì)于上文經(jīng)過(guò)鋪層及材料優(yōu)化得到的最優(yōu)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，即防熱層采用1層Nextel 720，絕熱層采用3層Refrasil 2000，氣密層采用1層Upilex，分別用差分算法及ANSYS瞬態(tài)傳熱模塊進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖11 ANSYS與差分算法結(jié)果對(duì)比Fig.11 Comparison between ANSYS and difference algorithm results

圖11是差分計(jì)算與ANSYS仿真的結(jié)果，圖中圓圈表示ANSYS仿真結(jié)果，曲線表示差分算法結(jié)果。T0表示柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)再入過(guò)程中防熱層外表面的溫度變化，由邊界條件給出，即圖中藍(lán)色部分，其最高溫度為1 607.5K。綠色表示絕熱層外表面再入過(guò)程的瞬態(tài)溫度響應(yīng)，其變化規(guī)律與外界作用溫度一致，再入過(guò)程最高溫度為1 356.5K，小于防熱層材料Refrasil 2000的最高使用溫度。紅色、黑色分別表示氣密層外、內(nèi)表面再入過(guò)程的瞬態(tài)溫度響應(yīng)。因?yàn)闅饷軐拥暮穸群苄?，其外、?nèi)表面的溫度相差不大，而且經(jīng)過(guò)絕熱層之后，氣密層再入過(guò)程的溫度比較小，最高溫度在462.2K左右。

對(duì)比差分算法與ANSYS仿真得到的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各功能層的溫度變化，可以看出這兩種方向得到的結(jié)果基本重合，這也驗(yàn)證了文中編寫(xiě)的差分算法的正確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以某型充氣式再入返回系統(tǒng)為背景，通過(guò)估算再入過(guò)程中熱流環(huán)境，對(duì)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防熱與質(zhì)量的一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案再入過(guò)程的溫度響應(yīng)進(jìn)行了仿真計(jì)算：

1）建立了考慮一維傳熱的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的差分傳熱模型，求取了柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各功能層傳熱的差分方程；

2）對(duì)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)6種材料選擇方案的功能層鋪層進(jìn)行了優(yōu)化，得到了各個(gè)材料選擇方案的最優(yōu)鋪層設(shè)計(jì)，然后比較各材料選擇方案的最優(yōu)鋪層設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)材料及鋪層雙層優(yōu)化后得到了最優(yōu)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此時(shí)各功能層的材料分別為Nextel 720、Refrasil 2000、Upilex，對(duì)應(yīng)的鋪層數(shù)分別為1、3、1，柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的面密度為2.128kg/m2；

3）分別用差分算法及ANSYS軟件對(duì)最優(yōu)的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果不僅驗(yàn)證了最優(yōu)柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的防熱性能，而且還證明了文中差分算法的正確性。

本文的研究為柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的防熱與質(zhì)量一體化優(yōu)化提供了一種有效工具，優(yōu)化結(jié)果可以為相關(guān)設(shè)計(jì)分析提供參考。

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Optimization on a Flexible Thermal Protection Structure of Inflatable Reentry System

HUANG Mingxing WANG Weizhi

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With continuous development of the space exploration, a new inflatable reentry system becomes one of hot spots of international research. On the background of inflatable reentry system, the design of flexible thermal protection structure is analyzed and optimized in this paper. Firstly, one dimensional thermal model of flexible thermal protection structure is established with referring to the typical thermal protection material and structure of IRVE. Then, based on the requirements of differential algorithm, the discretion heat transfer equations of functional layers of flexible thermal protection are derived. Under the condition of thermal capability constraint, the material and the layup number of functional layers are chosen as optimized parameters and a optimizing design program of flexible thermal protection structure is achieved under the given thermal boundary conditions. Finally, this paper proposes a differential algorithm to calculate the temperature response at various functional layers during reentry, and the results are verified by ANSYS. The results show that areal density of the optimal flexible thermal protection structure is 2.128kg/m2with the material being Nextel720, Refrasil 2000 and Upilex, and the layup number being 1, 3 and 1.

inflatable reentry; aerodynamic heat; optimized design; thermal protection; spacecraft recovery

V475.9

A

1009-8518(2016)01-0022-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.01.003

黃明星，男，1989年生，2013年獲得北京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)與工程學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在中國(guó)空間技術(shù)研究院北京空間機(jī)電研究所攻讀碩士學(xué)位，研究方向?yàn)樵偃敕祷丶夹g(shù)。E-mail: hmx1620@163.com。

（編輯：陳艷霞）

2015-08-20

載人航天預(yù)研項(xiàng)目