文档介绍：西北工业大学
硕士学位论文
空天飞行器再入过程中关键热结构的热分析
姓名:沈玲玲
申请学位级别:硕士
专业:人机与环境工程
指导教师:吕国志
20060301
摘要随着空间技术的飞速发展,可重复使用空天飞行器成为新一代天地往返运输系统的发展方向,对于降低空间运输成本具有重要的意义。而对于这种先进的可重复使用运载器,防热领域的研究工作一直受到极大的重视。对空天飞行器进行再入过程的气动热分析和防热结构的温度场以及热应力的计算可以直接为防热系统纳杓坪推拦捞峁┲匾R谰荩窍詈苡幸庖宓墓ぷ鳌本文研究对象是采用防热一结构一体化设计的可重复使用空天飞行器的全疭复合材料襟翼结构。首先对空天飞行器再入过程中的热环境进行了分析和计算。根据美国先进空天飞行器脑偃牍旒#扑憬笠斫峁乖谠偃牍讨械钠动加热问题。基于谋呓绮憷砺郏鞒》治1呓绮阃獾奈拚沉鞒『捅呓层内粘性主导的区域,将边界层外无粘流场的数值求解和边界层内粘性主导区域的工程算法相结合,计算空天飞行器襟翼结构在再入过程中在迎风面上产生的热流密度。采用有限元的方法计算襟翼结构由气动加热引起的温度场以及在温度场作用下的热应力。温度场计算考虑了的传导、对流和辐射三种传热方式同时存在的情况,并与传统飞行器热分析只考虑传导和对流两种传热方式的计算结果进行了对比,证实了辐射换热在再入过程的结构热传递中占主导地位。探讨了材料的热传导系数、比热等因素对热分析结果的影响,以及温度场梯度的变化对热应力的影本文在严格的理论基础之上设计了准确而实用的计算方法,完成了再入过程结构的气动加热、温度场以及热应力的计算和分析,对空天飞行器的防热结构设计具有一定的工程实用价值。关键词:空天飞行器,气动热,热分析,热应力,辐射,疭复合材料西北工业大学硕士学位论文响。
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第一章绪论研究背景世纪中期,冯祭投骱颓岢隽酥馗词褂锰斓赝迪低车母拍睢<甘年来各航天大国都投入了极大的人力和物力开展相关的研究工作,并取得了巨大的成绩。近年来随着大规模开发空间和控制空间的竞争态势日益明显和加剧,世界各国又掀起了一股新的可重复使用空天飞行器的研究热潮。可重复使用空天飞行器是新一代天地往返运输系统的发展方向,对于降低空间运输成本具有重要的意义,世界航天大国都启动了各自的研究计划。美国在可重复使用空天飞行器研究方面开展得最早,投入也最大,代表着可重复使用空天飞行器世界发展的最高水平。早在年美国就开始了空天飞机方案和关键技术的研究。先后在可重复使用运载器上投资的有:冉术试验机、⌒,其中以苹:诵摹6壳白罹叽硇缘氖撬牡谌芍馗使用天地往返运输系统缤。日本的可重复使用运载器的发展规模仅次于美国。在技术上坚持“循序渐进”姆⒄鼓J剑康氖侨繁<际醯难有院屠靡鸦鄣木椋可能地降低研制风险。日本宇宙事业开发团壳岸钥芍馗词褂迷嗽仄的研究工作主要是集中与—苹淠康氖抢弥馗词褂米R乒斓婪尚衅往返国际空间站,如图。西北工业大学硕士学位论文图卜拦滦涂仗旆苫图卜毡镜腍
由于空天飞行器需要超高速巡航,其头锥温度可达℃、机翼前缘达此外还有德国的、英国的取E房站也启动了欧洲未来空间运输研究计划,研究和论证各种重复使用运载器方案及关键技术。几十年来,我国在航天技术领域也取得了很大成就。年月日,神舟五号载人飞船发射圆满成功,中国第一个航天员由此诞生,实现了中国人叩访太空的多年梦想。年月日,中国再一次展示了强大的航天技术能力,神州六号载人航天飞行圆满成功。神州六号是我国首次进行多人多天飞行,实现真正意义上有人参与的空间的实验活动。神五、神六的成功标志了中国成为继美国、俄罗斯之后的第三个能够发射载人飞船的国家。虽然已经取得了如此高的成就,但是我国的神舟飞船系列还属于第一代天地运输系统,是不能重复使用的,而空间站要求每年至少运输补给两次,在这种情况下只能采用飞船作为运输系统,这样会大大增加运输费用。此外,由于神舟号飞船的运输能力较小,不能满足后续大型空间站的补给要求,因此研制运输能力较大的运输系统是十分必要的。若运输系统能做到重复使用,初步估计可以使运输每公斤有效载荷的费用降低一半,因此需要研制重复使用的天地往返运输系统【俊T谡夥矫妫夜牍庀冉较比仍然存在很大的差距,并且与重复使用运载器相关的几乎所有的关键技术,包括高超音速再入飞行气动力/气动热、防热系统、可重复使用先进发动机、再入返回控制技术等,对我国来说,开展的研究工作以及积累的经验也都比较少。但是我国航天技术起点高,可以充分借鉴国外航天大国的成败经验,在新一代空天飞行器的研究方面少走弯路。美国现有的航天飞机已经在防