一种双层波纹夹芯防隔热/承载一体化热防护结构的制作方法

本发明属于高超声速飞行器结构设计与热防护技术领域，特别是涉及一种双层波纹夹芯防隔热/承载一体化热防护结构。

背景技术：

高超声速飞行器是指飞行速度超过5倍音速的飞行器，有着巨大的军事价值和潜在的经济价值。在高超声速飞行器的结构设计上，热防护系统是不可或缺的关键系统。

目前，轻质且耐高温的热防护结构设计是高超声速飞行器研制过程中所必须面临的关键技术。另外，要使结构兼有热防护、轻质及高刚度的要求，需要选取密度小、强度高、承受冲击能力强和耐高温的防热材料，并且要对结构进行优化设计，使其在保护飞行器不受高温破坏的前提下质量尽可能达到最轻。第二，由于高超声速飞行器处于非常严酷的热力学环境，传统的热防护方式功能单一，不具备承载能力，已不适应当今飞行器复杂工况的使用要求，面临淘汰。因此，高超声速飞行器热防护设计开始走向热防护与承载相结合，多功能一体化热防护技术等结构设计的发展新方向，并成为解决热防护问题的有效途径。综上所述，研究并发展可重复使用的防隔热/承载一体化热防护结构是目前热防护技术的迫切需求。

波纹夹芯结构具有轻质、高强度、易成型的特点，具有良好的力学性能，能够很好地维持飞行器气动外形。同时结构一体性更好，密封与连接得到简化，可有效解决脱落等问题，更加坚固可靠，已广泛应用于高超声速飞行器的热防护设计中。针对腹板的改进问题，薄且长的腹板受压和受冲击时比短小的腹板更容易出现屈曲失稳，但是若增加腹板厚度则会导致结构中出现热短路现象，使热量快速传递到机体结构中。为了提高结构的防隔热性能以及承载性能，解决结构中的热短路以及热不匹配等问题，目前针对结构本身有诸多不同的改进方案。在腹板中增加减重孔可以缓解结构的热短路现象，降低下面板的温度，并且可以减轻结构重量，但是该方案会使结构的承载性能降低；在腹板中装配散热片可以增加热量的耗散路径，降低热流向下传递的速度，但是此种方案会大幅度增加结构的重量，使结构的制作成本提升；腹板加筋方案是在腹板上安装起支撑作用的加强筋，可以提高结构的抵抗变形能力，但该方案的内部芯层结构较为复杂，使得结构的制备难度加大，结构重量加大，并且各部位的连接问题也需要进行考虑；螺栓连接方案能够增强腹板的稳定性，减少结构的位移，但是此种方案螺栓和面板之间材料属性不同，热膨胀系数不同，导致二者之间热匹配性较差，容易在螺栓孔附近出现应力集中，且该方案进一步增加了结构重量。

由上述可知，多数方案都是在牺牲了结构重量的前提下对结构进行改进，并且没有做到对相同重量的结构进行防隔热以及承载性能的横向对比分析，也没有考虑结构在处于高速飞行时的振动性能。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是在于提供一种适用于高超声速飞行器机翼或机身大面积的一种双层波纹夹芯防隔热/承载一体化热防护结构，该防护结构有助于提高热防护结构的隔热效率，增强结构的承载性能，同时保护飞行器内部结构不受非定常气动力振动的破坏，具有防隔热/承载一体化防护效果，克服现有技术中波纹夹芯热防护结构承载性能低、重量大、易受振动的冲击而造成结构破坏的缺陷。

本发明提供的一种双层波纹夹芯防隔热/承载一体化热防护结构，包括双层波纹夹芯结构，所述双层波纹夹芯结构包括相互平行的上面板和下面板、上层波纹夹芯结构和下层波纹夹芯结构、以及将两层波纹夹芯结构连接的中间隔板，所述上层波纹夹芯结构和下层波纹夹芯结构均包括承载结构和隔热层，所述承载结构由多块中心轴线相互平行的腹板间隔形成多个隔热空腔，相邻腹板的首尾依次通过连接板相互连接使得所有腹板连接为一整体，所述隔热空腔内填充有隔热材料形成隔热层，所述上层波纹夹芯结构底部的连接板通过中间隔板支撑在下层波纹夹芯结构顶部的连接板上，所述上层波纹夹芯结构顶部的连接板上设有上面板，所述下层波纹夹芯结构底部的连接板上设有下面板，本实施方式中，上层波纹夹芯结构和下层波纹夹芯结构的结构相同。

本实施方式中，所述上层波纹夹芯结构和下层波纹夹芯结构以中间隔板为中心镜面对称布设形成双层对称排布。由于其对称性，上下两层腹板相邻较近，因此载荷可以通过隔板快速传递到下层腹板，再通过下层腹板传递到下面板，且下层腹板对该部位起到直接支撑的作用，具有较强的抗屈曲能力。

本实施方式中，所述上层波纹夹芯结构和下层波纹夹芯结构同向堆叠形成双层同向排布。腹板与相对应的下层腹板在水平方向上相距较远，载荷通过隔板传递的路径较大，具有较强的承载能力。

本实施方式中，所述上层波纹夹芯结构和下层波纹夹芯结构的腹板相互垂直堆叠形成双层正交排布。每层结构垂直于波纹方向的弯曲应力和平行于波纹方向的剪切应力相互抵消，同时兼备抵抗屈曲以及承载能力。

本实施方式中，所述隔热空腔的纵向切面为梯形。

本实施方式中，所述腹板与中间隔板的夹角为76°。

本实施方式中，所述双层波纹夹芯结构的厚度与现有单层波纹夹芯结构的厚度和重量相同。

本实施方式中，所述承载主体由ti-6al-4v合金材料构成，隔热材料由saffil材料构成。

本实施方式中，所述承载结构的上面板厚度均为3.0mm，下面板的厚度均为2.0mm。

本实施方式中，所述腹板的厚度为1.5mm，所述连接板的厚度为2.0mm，中间隔板厚度为2.0mm，所述隔热层的厚度为40.0mm。

相对现有技术，本发明技术方案带来的有益效果在于：

1、本发明双层排布且双层排布通过中间隔板连接，中间隔板的存在使得热量能够沿着隔板横向传递，降低了热量沿着腹板向下面板传递的过程，进而使下面板温度降低。在双层波纹夹芯结构的厚度与现有单层波纹夹芯结构的厚度和重量不变的情况下，双层结构的腹板更加密集，不易产生应力集中，受力会得到分散，因此使得结构不易发生屈曲失稳，有助于提高热防护系统的隔热效率，提升热防护结构的承载能力，降低热防护系统结构重量，增强结构的稳定性，有效降低飞行器热防护结构的制造和维护成本，加工工艺和成型比较简便，技术易于实现。

2、本发明利用双层排布的优势，双层结构有着比单层结构更好的吸能效果，单层结构在受到外部冲击时会发生一次性破坏，而双层结构会将一次破坏转换为两次，有助于保护飞行器内部结构不受空间碎片的冲击而受到破坏，提升热防护结构的可重复使用次数，提高结构系统的寿命，大幅减少结构碎片飞溅等二次伤害，加工工艺和成型比较简便，技术易于实现。

3、本发明承载结构ti-6al-4v合金材料可经受高温热流，也能向外辐射部分热能，通过高辐射减少通过隔热层达到机体内部的热量，有助于保护飞行器内部结构不受冲击而受到破坏；隔热材料saffil能够耐受住气动加热产生的高温，同时兼顾轻质与高效隔热两个条件。

综上所述，本发明采用双层波纹夹芯结构，且双层波纹夹芯结构的厚度与现有单层波纹夹芯结构的厚度和重量相同，在不改变单层波纹夹芯结构重量的前提下，有助于提高波纹夹芯结构的承载性能，同时具有较强的结构稳定性，能够保护飞行器结构内部不会受到振动破坏，克服现有技术中波纹夹芯结构承载性能低、重量大、易屈曲以及易振动的缺陷。并且在结构重量不改变的情况下，本装置采用不同铺层排列方式的波纹夹芯结构防隔热、承载性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明四种结构的传热性能对比曲线；

图5为本发明四种结构的承载性能中最大应力值对比；

图6为本发明四种结构的屈曲特征值；

图7为本发明四种结构的振动固有频率。

附图中，1、上面板；2、下面板；3、中间隔板；4、腹板；5、连接板；6、隔热空腔；7、上层波纹夹芯结构；8、下层波纹夹芯结构。

具体实施方式

下面具体实施例结合附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1至3所示，本发明实施例提供一种双层波纹夹芯防隔热/承载一体化热防护结构，包括双层波纹夹芯结构，所述双层波纹夹芯结构的厚度与现有单层波纹夹芯结构的厚度和重量相同，所述双层波纹夹芯结构包括相互平行的上面板1和下面板2、结构相同的上层波纹夹芯结构7和下层波纹夹芯结构8、以及将两层波纹夹芯结构连接的中间隔板3，所述上层波纹夹芯结构7和下层波纹夹芯结构8均包括承载结构和隔热层，所述承载结构由多块中心轴线相互平行的腹板4间隔形成多个隔热空腔6，所述腹板4与中间隔板3的夹角为76°，使得所述隔热空腔6的纵向切面为梯形，相邻腹板4的首尾依次通过连接板5相互连接使得所有腹板4连接为一整体，所述隔热空腔6内填充有隔热材料形成隔热层，所述上层波纹夹芯结构7底部的连接板5通过中间隔板3支撑在下层波纹夹芯结构8顶部的连接板5上，所述上层波纹夹芯结构7顶部的连接板5上设有上面板1，所述下层波纹夹芯结构8底部的连接板5上设有下面板2。

实施例1：

本实施例中，所述承载主体、上面板和下面板均由ti-6al-4v合金材料构成，所述承载结构的上面板1厚度均为3.0mm，下面板2的厚度均为2.0mm，所述腹板4的厚度为1.5mm，所述连接板5的厚度为2.0mm，中间隔板3厚度为2.0mm，所述隔热材料由saffil材料构成，所述隔热层的厚度为40.0mm。

本实施例中，如图1所示，所述上层波纹夹芯结构和下层波纹夹芯结构以中间隔板为中心镜面对称布设形成双层对称排布。这样上、下层波纹夹芯结构形成的双层对称排布的整体结构就构成了本发明的一种实施方式：双层对称一体化结构(dlsidps)。下面描述中把这种结构简称为：dlsidps。

实施例2：

如图2所示，本实施例与实施例1不同之处在于，所述上层波纹夹芯结构和下层波纹夹芯结构同向堆叠形成双层同向排布。这样上、下层波纹夹芯结构形成的双层对称排布的整体结构就构成了本发明的第二种实施方式：双层平行一体化结构(dlpidps)。下面描述中把这种结构简称为：dlpidps。

实施例3：

如图3所示，本实施例与实施例1不同之处在于，所述上层波纹夹芯结构和下层波纹夹芯结构的腹板相互垂直堆叠形成双层正交排布。这样上、下层波纹夹芯结构形成的双层对称排布的整体结构就构成了本发明的第二种实施方式：双层正交一体化结构(dloitps)。双层平行一体化结构(dlpidps)。下面描述中把这种结构简称为：dloitps。

下面从隔热、承载、抗振动三个方面，将三种实施方式与单层一体化结构(slitps)进行比对，然后分析效果，最后得出结论：

如表1，本实施例中作为对比例的单层一体化结构(slitps)的参数如下：

表1单层一体化结构尺寸参数

针对结构的隔热性能，四种结构的背温曲线如图4所示。通过对比可以发现，单层一体化结构(slitps)的温度曲线最高，各个时间的温度要大于三种双层结构，表明单层结构会受到较高的温度冲击，而双层结构的受到的温度烧蚀要降低很多，通过双层结构的设计可以降低结构的背壁面温度，使结构的防隔热性能得到提升。

针对结构的承载性能，四种结构最大应力曲线如图5所示。dlpidps最大应力发生在隔板与上层腹板的交界处，由于该处腹板与相对应的下层腹板在水平方向上相距较远，导致载荷通过隔板传递的路径较大，另外，该处隔板的下部分无下层腹板支撑，抵抗变形的能力较差，产生了应力集中现象，因此应力值较大。而dlsidps由于其对称性，上下两层腹板相邻较近，因此载荷可以通过隔板快速传递到下层腹板，再通过下层腹板传递到下面板，且下层腹板对该部位起到直接支撑的作用，因此该处应力值相对于dloitps较小，最大应力发生在下层腹板与下面板交界处。dloitps的应力值最小，每层结构垂直于波纹方向的弯曲应力和平行于波纹方向的剪切应力相互抵消。针对结构的最大位移，三种方案无论是处于再入环境还是极端热流环境都差别不大，均处于结构的许用位移之内。发生最大位移的部位均在上面板边角处，该处受到的约束较小。通过对比可以发现，单层一体化结构(slitps)的应力曲线的数值最大，均处于双层结构的曲线上方，说明单层结构的承载性能要低于双层结构，slitps受到的应力要大于三种双层结构，容易受到结构破坏。表明双层结构的设计可以减轻单层结构应力，具有更好的承载性能。本实施例中，针对结构的屈曲性能，四种结构的屈曲特征值如图6所示。三种方案的屈曲特征值均大于1，表明处于再入环境时均不会发生结构屈曲。这是由于夹芯层被中间面板隔开，上下每个夹芯层的高度降低为原单层结构高度的一半，因此当腹板厚度为定值时，腹板厚度与每个夹芯层截面高度的比值增大，从而导致屈曲破坏应力的提升。dlpidps的屈曲特征值最大，因此发生屈曲变形的临界载荷最大，结构具有较强的抵抗屈曲变形能力。这是因为dlpidps受到热载荷和气动压力时腹板下方没有下层结构进行支撑，腹板变形约束较小，因此屈曲特性能力强于其他两种方案。从结构发生屈曲的部位来看，三种方案均在腹板处产生了屈曲变形。由于上面板接近其峰值温度，并倾向于热膨胀变形，而底部面板的温度较低，可以抵抗这种膨胀变形。当腹板和中面板在上面板和下面板之间传递力时，会承受较大的弯曲载荷。另外，施加在面板边缘上的边界条件也会提供一定的约束力。因此，热屈曲主要发生在腹板部位，在该区域会经历较大的温度梯度和变形载荷。

本实施例中，针对结构的振动性能，四种结构的固有振动频率如图7所示。随着阶数的增加，dlsitps和dlpitps的固有频率变化较为平稳，并且二者的折线在整体上是相似的，呈现出缓慢上升的趋势，dlpitps的频率要始终高于dlsitps的频率。而dloitps的频率变化较为陡峭，除了第一阶频率小于dlsitps和dlpitps之外，其余阶数的频率均要高于dlsitps和dlpitps，随着阶数的增加，固有频率显著上升。说明dloitps的固有频率对阶数的增加更为敏感。当结构的刚度降低时，其固有频率也会随之降低，反之则升高。因此，结构的固有频率越高则越难引发振动，刚度特性就越好，以上结果表明，dloitps在均匀温度场下的刚度特性要高于dlsitps和dlpitps，具有较好的抵抗振动的能力。而dlsitps和dlpitps的刚度特性差距较小，dlpitps略优于dlsitps。通过对比可以发现，单层结构的振动频率要小于三种双层结构，表明单层结构的刚度较低，振动性能较差，容易受到振动破坏。双层结构的设计有助于提升结构的固有频率特性，提高结构的刚度属性，进而提升单层结构的抗振性能。

因此通过上述分析对比发现，本实施例中三种双层结构隔热、承载、抗振动三个方面的性能均优于单层一体化结构(slitps)。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。