一種熱防護(hù)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高超聲速飛行器技術(shù)熱防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熱防護(hù)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]熱防護(hù)系統(tǒng)是位于高超聲速飛行器機(jī)身外部，用于防止機(jī)身及內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度不超過(guò)所能承受的溫度極限，形成保護(hù)性外層且承受一定載荷的一種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。熱防護(hù)系統(tǒng)是保證高超聲速飛行器的飛行安全的關(guān)鍵子系統(tǒng)，也是實(shí)現(xiàn)機(jī)身減重的關(guān)鍵系統(tǒng)。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，熱防護(hù)系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的隔熱瓦、隔熱氈熱防護(hù)等裝置。傳統(tǒng)的熱防護(hù)裝置雖然重量輕，但其力學(xué)性能較弱，而且粘接連接的維護(hù)性差。另外，美國(guó)針對(duì)X-33等飛行器而研究發(fā)展的金屬基熱防護(hù)系統(tǒng)，以及歐洲為Pre-x項(xiàng)目研究發(fā)展的陶瓷基復(fù)合材料蓋板熱防護(hù)，是采用面板包覆隔熱材料，再通過(guò)連接支架與機(jī)身相連。然而，上述熱防護(hù)系統(tǒng)一般都只承擔(dān)氣動(dòng)力載荷，因此限制了現(xiàn)有技術(shù)中的熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)效率的進(jìn)一步提升。
[0004]隨著新型高超聲速飛行器的發(fā)展，對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)效率要求也越來(lái)越高，因此提出了防隔熱與承力一體化的熱防護(hù)概念。這種熱防護(hù)裝置在完成防隔熱功能的同時(shí)，能夠通過(guò)機(jī)身與熱防護(hù)面板之間、面板與面板之間傳遞、分配載荷，進(jìn)而降低機(jī)身結(jié)構(gòu)重量。
[0005]上述一體化熱防護(hù)裝置與傳統(tǒng)熱防護(hù)裝置的區(qū)別在于，一體化熱防護(hù)裝置的典型結(jié)構(gòu)特征是采用連接結(jié)構(gòu)(例如，腹板)來(lái)連接分別處于高溫和低溫下的上面板與下面板。然而，該連接結(jié)構(gòu)一方面需要支撐上面板，對(duì)上面板的變形形成約束；另一方面該連接結(jié)構(gòu)的變形還受到上面板與下面板控制，需要在冷熱結(jié)構(gòu)之間協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)變形，傳遞并分配相應(yīng)的結(jié)構(gòu)載荷。因此，在典型的一體化熱防護(hù)系統(tǒng)中，所使用的連接結(jié)構(gòu)(例如，波紋連接結(jié)構(gòu))都存在著熱失配明顯、交錯(cuò)連接結(jié)構(gòu)存在熱短路等明顯的問(wèn)題，從而也限制了熱防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)效率的進(jìn)一步提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提供一種熱防護(hù)裝置，從而可以解決熱防護(hù)裝置中的連接結(jié)構(gòu)熱短路與冷熱結(jié)構(gòu)熱失配的問(wèn)題。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]—種熱防護(hù)裝置，該裝置包括:上面板、底面板、由多個(gè)上方波紋板按順序排列而組成的上方波紋板層以及由多個(gè)下方波紋板按順序排列而組成的下方波紋板層；
[0009]所述上方波紋板層設(shè)置在所述下方波紋板層的上方，且所述上方波紋板層與所述下方波紋板層交錯(cuò)設(shè)置；
[0010]所述下方波紋板的下端與所述底面板連接；所述上方波紋板的上端與所述上面板連接；所述上方波紋板的下端與所述下方波紋板的上端通過(guò)隔熱與承力協(xié)同螺栓連接結(jié)構(gòu)連接；
[0011]所述隔熱與承力協(xié)同螺栓連接結(jié)構(gòu)包括:連接螺栓、設(shè)置在所述連接螺栓與所述上方波紋板之間的上方隔熱墊圈、設(shè)置在所述上方波紋板的下端與所述下方波紋板的上端之間的中部隔熱墊片、設(shè)置在所述連接螺栓與所述下方波紋板之間的下方隔熱墊圈、連接螺母；
[0012]所述上面板與所述上方波紋板的下端之間的空隙中填充有耐高溫隔熱材料；所述底面板與所述下方波紋板的上端之間的空隙中填充有耐中溫隔熱材料。
[0013]較佳的，所述上方波紋板與下方波紋板之間的角度為預(yù)設(shè)的角度。
[0014]較佳的，所述預(yù)設(shè)的角度為90°。
[0015]較佳的，所述上方波紋板與下方波紋板上設(shè)置有腹板鏤空結(jié)構(gòu)。
[0016]較佳的，所述上方波紋板與下方波紋板上設(shè)置有多個(gè)可供連接螺栓穿過(guò)的螺栓孔；
[0017]其中，位于所述上方波紋板或下方波紋板的中部的螺栓孔為圓形；位于所述上方波紋板或下方波紋板兩端的螺栓孔依據(jù)熱膨脹方向設(shè)置成長(zhǎng)槽孔。
[0018]較佳的，所述連接螺栓為中空結(jié)構(gòu)。
[0019]較佳的，所述耐高溫隔熱材料由耐高溫ZrO2S Al 203纖維隔熱氈制成；
[0020]所述耐中溫隔熱材料由S12納米氣凝膠制成。
[0021]較佳的，所述上面板由2mm厚的GH4169高溫合金板制備而成；
[0022]所述底面板由3mm厚的Al合金板制備而成。
[0023]較佳的，所述上方波紋板由Imm厚的GH4169高溫合金板制備而成；
[0024]所述下方波紋板由Imm厚的TiAl高溫合金板制備而成。
[0025]較佳的，所述連接螺栓和連接螺母由TiAl高溫合金制備而成；
[0026]所述上方隔熱墊圈、中部隔熱墊片和下方隔熱墊圈均由立方穩(wěn)定ZrO2制備而成。
[0027]如上可見(jiàn)，在本發(fā)明的熱防護(hù)裝置中，由于使用了上下兩層波紋板，即上方波紋板層和下方波紋板層，從而能夠連接上表面熱結(jié)構(gòu)與底部冷結(jié)構(gòu)，并在兩者之間傳遞分配載荷，且耐受高溫至低溫的大溫度梯度；而且由于本發(fā)明中的上方波紋板與下方波紋板是交錯(cuò)設(shè)置的，因此可以有效地提高熱防護(hù)裝置在面內(nèi)兩個(gè)方向上的結(jié)構(gòu)抗力，避免單一方向波紋造成的某一方向抗彎曲性能差的問(wèn)題；并且，還可以依據(jù)外部載荷情況，通過(guò)單層的結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最佳剛度設(shè)計(jì)。此外，由于本發(fā)明中的上方波紋板與下方波紋板上還可以設(shè)置有腹板鏤空結(jié)構(gòu)，從而可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重。此外，由于本發(fā)明中的隔熱與承力協(xié)同螺栓連接結(jié)構(gòu)中設(shè)置了隔熱墊圈和隔熱墊片，從而可以有效地降低通過(guò)上述連接結(jié)構(gòu)之間的熱傳輸，阻斷熱表面經(jīng)由連接結(jié)構(gòu)向下傳輸?shù)臒崃?，從而能夠明顯降低連接結(jié)構(gòu)熱短路效應(yīng)，提高冷熱結(jié)構(gòu)熱匹配性。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的熱防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的隔熱與承力協(xié)同螺栓連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖3為本發(fā)明的具體實(shí)施例中的下方波紋板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖4為本發(fā)明的具體實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)背面溫度響應(yīng)與波紋連接方案對(duì)比圖。
[0032]圖5(a)和圖5(b)為本發(fā)明的具體實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布與波紋連接方案對(duì)比圖。
[0033]圖中的編號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系:
[0034]1-上面板(熱結(jié)構(gòu)面板)；2_上方波紋板；3_下方波紋板；4_底面板(冷結(jié)構(gòu)面板)；5_連接螺栓；6-上方隔熱墊圈；7-中部隔熱墊片；8-下方隔熱墊圈；9_連接螺母；10-耐高溫隔熱材料；11_耐中溫隔熱材料。
【具體實(shí)施方式】
[0035]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0036]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的熱防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的隔熱與承力協(xié)同螺栓連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1和圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例中的熱防護(hù)裝置包括:上面板1、底面板4、由多個(gè)上方波紋板2按順序排列而組成的上方波紋板層以及由多個(gè)下方波紋板3按順序排列而組成的下方波紋板層；
[0037]所述上方波紋板層設(shè)置在所述下方波紋板層的上方，且所述上方波紋板層與所述下方波紋板層交錯(cuò)設(shè)置；
[0038]所述下方波紋板3的下端與所述底面板4連接；所述上方波紋板2的上端與所述上面板I連接；所述上方波紋板2的下端與所述下方波紋板3的上端通過(guò)隔熱與承力協(xié)同螺栓連接結(jié)構(gòu)連接；
[0039]所述隔熱與承力協(xié)同螺栓連接結(jié)構(gòu)包括:連接螺栓5、設(shè)置在所述連接螺栓5與所述上方波紋板2之間的上方隔熱墊圈6、設(shè)置在所述上方波紋板2的下端與所述下方波紋板3的上端之間的中部隔熱墊片7、設(shè)置在所述連接螺栓5與所述下方波紋板3之間的下方隔熱墊圈8、連接螺母9 ；
[0040]所述上面板I與所述上方波紋板2的下端之間的空隙中填充有耐高溫隔熱材料10 ;所述底面板4與所述下方波紋板3的上端之間的空隙中填充有耐中溫隔熱材料11。
[0041]根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明中的熱防護(hù)裝置是一種由四部分材料組成的夾芯結(jié)構(gòu)，所述四部分材料包括:表面防熱材料熱結(jié)構(gòu)面板(即上面板I)、底部冷結(jié)構(gòu)面板(即底面板4)、內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)(即上方波紋板2和下方波紋板3)以及填充空腔的隔熱材料。
[0042]另外，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，上述隔熱材料可以采用氧化物陶瓷纖維隔熱氈材料或耐高溫納米氣凝膠材料單層或多層組合材料，其作用為是填充在上述熱防護(hù)裝置中的空腔中，阻止冷熱結(jié)構(gòu)之間的熱輻射，起到隔熱作用。
[0043]例如，在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，所述耐高溫隔熱材料10可以由耐高溫ZrO2SAl2O3纖維隔熱氈制成，而耐中溫隔熱材料11則可以由S12納米氣凝膠制成。
[0044]在本發(fā)明中的熱防護(hù)裝置中，上面板I實(shí)際上一種熱結(jié)構(gòu)面板，能夠在高溫下阻擋熱氣流并承擔(dān)力學(xué)載荷，因此通常采用耐熱結(jié)構(gòu)材料制備，例如碳/碳復(fù)合材料、C/SiC、SiC/SiC等耐熱復(fù)合材料，以及高溫合金等耐熱金屬材料。因此，較佳的，在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，所述上面板I可以由厚的GH4169高溫合金板制備而成。
[0045]在本發(fā)明中的熱防護(hù)裝置中，底面板4實(shí)際上是一種冷結(jié)構(gòu)面板，能夠與機(jī)身桁架加筋結(jié)構(gòu)連接，分擔(dān)機(jī)身載荷，因此通常采用航空結(jié)構(gòu)鋁合金材料、石墨/環(huán)氧、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等制備。因此，較佳的，在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，所述底面板4可以由3mm厚的Al合金板制備而成。
[0046]在本發(fā)明中的熱防護(hù)裝置中，采用了上下兩層波紋板，即上方波紋板層和下方波紋板層。這種內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)能夠連接上表面熱結(jié)構(gòu)與底部冷結(jié)構(gòu)，并在兩者之間傳遞分配載荷，且耐受高溫至低溫的大溫度梯度，因此通常采用耐熱結(jié)構(gòu)材料制備，如碳/碳復(fù)合材料、C/SiC、SiC/SiC等耐熱復(fù)合材料，以及高溫合金等耐熱金屬材料。因此，較佳的，在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，所述上方波紋板2可以由Imm厚的GH4169高溫合金板制備而成；而下方波紋板3則可以由1_厚的TiAl高溫合金板制備而成。
[0047]另外，在本發(fā)明中的熱防護(hù)裝置中，各個(gè)上方波紋板2與下方波紋板3是交錯(cuò)設(shè)置的；較佳的，在發(fā)明的具體實(shí)施例中，所述上方波紋板2與下方波紋板3之間的角度可以是預(yù)設(shè)的角度。例如，所述上方波紋板2與下方波紋板3之間的角度可以是90°，或者是其它預(yù)先設(shè)置的角度值。
[0048]由于所述上方波紋板2與下方波紋板3是交錯(cuò)設(shè)置的，因此可以有效地提高熱防護(hù)裝置在面內(nèi)兩個(gè)方向上的結(jié)構(gòu)抗力，避免單一方向波紋造成的某一方向抗彎曲性能差的問(wèn)題；并且，還可以依據(jù)外部載荷情況，通過(guò)單層的結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最佳剛度設(shè)計(jì)。
[0049]另外，較佳的，在發(fā)明的具體實(shí)施例中，所述上方波紋板2與下