隔热屏的轻量化设计方法及结构与流程

1.本发明涉及空间飞行器温控系统，具体地，涉及一种隔热屏的轻量化设计方法及结构。


背景技术：

2.随着飞行器的功能需求日益复杂化、多样化，配套的各类载荷及单机数量多、重量大，但受限于运载的能力，飞行器必须限重设计，因此各分系统及单机均需考虑轻量化设计。
3.热防护的目的在于保护发动机附件的结构、部件等免受发动机点火时产生的高温影响，因此设计的隔热屏必须保证发动机附近的受影响的结构及部件温度满足其指标要求。
4.目前，高温隔热屏主要是通过高温、中温、低温隔热单元组合而成，每层组件的尺寸相同，同一块隔热屏不同区域处的组件层数及厚度均相同。
5.现有公开号为cn106347715b的中国专利申请，其公开了一种空间飞行器轨控发动机轻量化隔热屏支架，包括锥筒、连接环、转接板和紧固件，锥筒采用钛合金板材热冲压一体成型，解决了锥筒型面问题；所述连接环安装在锥筒上端；转接板通过紧固件安装在连接环内，并均布排列；锥筒上预留若干用于安装隔热多层组件的小孔，所述转接板上预留若干用于对接发动机的安装孔。其轻量化设置的重点在于隔热屏支架，对隔热屏自身的轻量化设计没有涉及。
6.依据发动机工作时羽流及喷管的温度分布特点，以发动机喉部为中心，热量由中心向四周递减，固壁辐射造成的高温影响也呈相同规律，因此可以考虑隔热屏由中心向边缘处差异化设计。
7.本技术提出一种轻量化设计方法及结构，将靠近发动机喉部处的隔热组件层数和高温隔热单元数量设置较多，边缘处隔热组件层数及高温隔热单元数量适当减少。既可有效防护中心区域的高温，又能避免低温区层数过多造成的飞行器重量资源浪费。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种隔热屏的轻量化设计方法及结构。
9.根据本发明提供的一种隔热屏的轻量化设计方法,设计方法包括如下步骤：s1、以发动机喉部为中心，分析由中心至边缘的温度分布规律，并将隔热屏划分为多个区域；s2、根据各个区域的温度分布以及被防护结构的温度要求，设计各个区域中隔热单元的尺寸、层数以及材料；s3、根据隔热屏最外层温度范围以及吸收发射率要求，选择隔热屏最外层面膜，并用选择的面膜对隔热组件进行包边；s4、各个区域的分界处均通过紧固件进行固定连接。
10.优选地，隔热屏的设计包括分块设计，任一相邻的两块隔热屏之间均采用搭接结
构连接。
11.根据本发明提供的一种隔热屏的轻量化结构，包括多个区域，任一区域内均设置有隔热单元，隔热单元包括面膜、第一隔热组件、第二隔热组件以及第三隔热组件，所述第一隔热组件的耐温能力大于第二隔热组件的耐温能力，所述第二隔热组件的耐温能力大于第三隔热组件的耐温能力；所述面膜、第一隔热组件、第二隔热组件以及第三隔热组件四者，自靠近发动机的一侧向靠近被防护结构的一侧依次设置。
12.优选地，所述第一隔热组件、第二隔热组件以及第三隔热组件三者均包括反射层和间隔层。
13.优选地，所述第一隔热组件的耐温能力大于或等于1000摄氏度，所述第一隔热组件的反射层材料包括不锈钢箔或镍箔，所述第一隔热组件的间隔层材料包括硅酸铝布。
14.优选地，所述第二隔热组件的耐温能力为200摄氏度至1000摄氏度，所述第二隔热组件的反射层材料包括铝箔或双面镀铝聚酰亚胺膜，所述第二隔热组件的间隔层材料包括玻璃纤维布。
15.优选地，所述第三隔热组件的耐温能力为小于200摄氏度，所述第二隔热组件的反射层材料包括双面镀铝聚酯膜，所述第二隔热层的间隔层材料包括涤纶网。
16.优选地，任一呈相邻的两个区域内的所述隔热单元均在二者的区域分界处通过紧固件连接。
17.优选地，所述紧固件包括钢丝。
18.优选地，包括多块隔热屏，任一相邻的两个隔热屏连接处的所述隔热单元均形成搭接结构并通过连接件连接。
19.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
20.1、本发明通过在隔热屏上更具温度分布规律划分多个区域，再根据温度分布和被防护结构的温度要求设置隔热单元的尺寸、层数以及材料，并通过对耐热能力不同的第一隔热组件、第二隔热组件以及第三隔热组件的搭配，实现在满足温度要求的条件下，具有相对常规设置较低的质量，实现对隔热屏的轻量化设计。
21.2、本发明通过在区域分界处用钢丝或其他方式进行固定，以保证隔热屏内部各单元形成一体，达到一定的力学要求。
22.3、本发明通过在两个隔热屏之间预留台阶状搭接结构，能够避免两个隔热屏在搭接固定时出现翘起或缝隙等问题。
附图说明
23.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
24.图1为本发明主要体现整体隔热屏设计结构示意图；
25.图2为本发明主要体现隔热屏的剖面结构示意图；
26.图3为本发明主要体现两个隔热屏之间的搭接结构示意图。
27.图中所示：
28.第三隔热组件1
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面膜4
29.第二隔热组件2
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隔热单元5
30.第一隔热组件3
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区域6
具体实施方式
31.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
32.如图1和图2所示，根据本发明提供的一种隔热屏的轻量化结构，包括多个区域6，任一区域6内均设置有隔热单元5。
33.隔热单元5包括面膜4、第一隔热组件3、第二隔热组件2以及第三隔热组件1。且第一隔热组件3的耐温能力大于第二隔热组件2的耐温能力，第二隔热组件2的耐温能力大于第三隔热组件1的耐温能力。面膜4、第一隔热组件3、第二隔热组件2以及第三隔热组件1四者，自靠近发动机的一侧向靠近被防护结构的一侧依次设置。
34.需要注意的是，隔热屏上区域6的设置是根据隔热屏上的温度来确定的，具体地，可以采用仿真计算或经验预估的方式来进行划分。且隔热屏上越靠近发动机的区域6的温度越高。通过对不同区域6内的第一隔热组件3、第二隔热组件2以及第三隔热组件1三者尺寸、数量以及材料的设置，能够使该区域6在满足温度要求的前提下，具有相对常规设置较低的质量，从而实现对隔热屏的轻量化设计。
35.具体地，第一隔热组件3、第二隔热组件2以及第三隔热组件1三者均包括反射层和间隔层。第一隔热组件3的耐温能力大于或等于1000摄氏度，第一隔热组件3的反射层材料包括不锈钢箔或镍箔，第一隔热组件3的间隔层材料包括硅酸铝布。第二隔热组件2的耐温能力为200摄氏度至1000摄氏度，第二隔热组件2的反射层材料包括铝箔或双面镀铝聚酰亚胺膜，第二隔热组件2的间隔层材料包括玻璃纤维布。第三隔热组件1的耐温能力为小于200摄氏度，第二隔热组件2的反射层材料包括双面镀铝聚酯膜，第二隔热层的间隔层材料包括涤纶网。
36.隔热组件的原理在于使用低吸收发射率的反射层及间隔层，多个这样的隔热组件组合在一起后形成一个极低当量热导率的多层隔热单元5，从而对高温有一定的防护能力。而隔热屏分为第一隔热组件3、第二隔热组件2以及第三隔热组件1的多层隔热组件是因为选取材料的耐温范围不同，靠近发动机侧的温度较高，因此选择耐温能力较强的高温隔热组件。但高温隔热组件耐温能力强的同时密度较大，重量代价较大，因此，经过几层耐温能够较高的第一隔热组件3的隔热后，温度有所下降，已经达到第二隔热组件2的适用范围，此时可以选择密度相对较轻的第二隔热组件2，能有效隔热的同时可以一定程度减小重量，依此类推，再选用第三隔热组件1。
37.需要注意的是，本技术的第一隔热组件3、第二隔热组件2以及第三隔热组件1是根据耐温能力的大小进行划分的。而根据耐温能力大小进行更为细致或粗糙进行的划分任属于本技术的保护范围。
38.更为具体地，任一呈相邻的两个区域6内的隔热单元5均在二者的区域6分界处通过紧固件连接，紧固件包括钢丝。由于各个区域6内的隔热单元5的结构和尺寸均不同，因此需要在区域6分界处用钢丝或其他方式进行固定，以保证隔热屏内部各单元形成一体。
39.如图1、图2以及图3所示，一种可行的实施方式为：当隔热屏的尺寸较大时，可以进行分块设计多块隔热屏，任一相邻的两个隔热屏连接处的隔热单元5均形成搭接结构并通过连接件连接。且搭接结构主要为各个隔热屏内的第一隔热组件3、第二隔热组件2以及第三隔热组件1上下交错形成。在隔热屏制作时，根据工艺需要，拼缝处留出互补的台阶状，避免搭接固定时出现翘起或有缝隙等问题。
40.本技术的设计原则为：1、根据仿真计算或预估的温度，确保各材料使用温度在耐温范围内。
41.2、隔热屏层数要设计充分，确保低温侧温度满足设计要求。
42.本技术的隔热屏轻量化结构，不仅仅考虑了隔热屏纵向的温度分布，还考虑了隔热屏径向的温度分布，把离发动机较远的边缘处减薄，保留足够的防护能力的同时，可以实现隔热屏的减重。
43.根据本发明提供的一种隔热屏的轻量化设计方法,设计方法包括如下步骤：
44.s1、以发动机喉部为中心，使用热分析软件建模仿真分析由中心至边缘的温度分布规律，并将隔热屏划分为多个区域6。
45.s2、根据各个区域6的温度分布以及被防护结构的温度要求，设计各个区域6中隔热单元5的尺寸、层数以及材料。
46.s3、根据隔热屏最外层温度范围以及吸收发射率要求，选择隔热屏最外层面膜4，并用选择的面膜4对隔热屏进行包边。
47.s4、各个区域6的分界处均通过紧固件进行固定连接，以保证隔热屏内部各隔热单元5形成一体，达到一定的力学要求。
48.需要注意的是：隔热屏的设计包括分块设计，任一相邻的两块隔热屏之间均采用搭接结构连接。
49.与现有技术相比，本发明通过分区域6精细化设计各组件所需各类隔热单元5的层数及每层隔热单元5的尺寸，能显著减轻隔热屏重量，与传统隔热屏相比，更能适应现今飞行器轻量化设计需求。而各个隔热单元5的尺寸均需要根据发动机输入条件、隔热屏与发动机的相对位置以及安装方式来具体确定。
50.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
51.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。