薛宇軒 宋磊 何西波 肖乃風(fēng) 胡由宏

陶瓷基雙層天線罩簡(jiǎn)化模型隔熱試驗(yàn)與仿真

薛宇軒1宋磊2何西波1肖乃風(fēng)1胡由宏1

（1 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100076；2 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京100076）

對(duì)某纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩結(jié)構(gòu)開展隔熱性能分析，將雙層天線罩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為三層平板模型，采用石英燈輻射加熱方法分別對(duì)雙層天線罩結(jié)構(gòu)及其簡(jiǎn)化模型開展隔熱試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果并分析差異原因，進(jìn)一步采用計(jì)算方法對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行隔熱性能仿真評(píng)估，對(duì)比分析熱對(duì)流效應(yīng)對(duì)內(nèi)部溫度場(chǎng)產(chǎn)生的影響，為纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩的隔熱性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

纖維增強(qiáng)；陶瓷基復(fù)合材料；雙層天線罩；隔熱試驗(yàn)；仿真

0 引言

導(dǎo)彈天線罩是位于導(dǎo)彈最前端用于保護(hù)導(dǎo)引頭天線的防熱與承載結(jié)構(gòu)殼體，主要功能包括維持彈頭氣動(dòng)外形并承受導(dǎo)彈飛行過程中的惡劣熱、力載荷環(huán)境。要求具備良好的耐燒蝕性能、防隔熱性能、高溫承載性能以及復(fù)雜環(huán)境下的透波性能[1]。伴隨導(dǎo)彈射程與速度的不斷提升，導(dǎo)彈天線罩在飛行過程中面臨的熱、力載荷環(huán)境愈發(fā)惡劣，對(duì)天線罩材料及結(jié)構(gòu)形式均提出了更加嚴(yán)格的要求。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，導(dǎo)彈天線罩材料經(jīng)歷發(fā)展路線為：纖維增強(qiáng)塑料→陶瓷材料（氧化鋁陶瓷，微晶玻璃，石英陶瓷，氮化物陶瓷）→陶瓷基復(fù)合材料[2]。近年來，纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料以其優(yōu)良的抗燒蝕性能、耐熱性能、高溫力學(xué)性能及一體化成型技術(shù)很好的滿足了高超聲速飛行器天線罩的設(shè)計(jì)使用要求[3]。有關(guān)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的使用性能及其在導(dǎo)彈天線罩中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。雷景軒[4]對(duì)石英纖維增強(qiáng)石英陶瓷基復(fù)合材料從制備方法、纖維結(jié)構(gòu)、處理工藝到發(fā)展方向等相關(guān)內(nèi)容的研究進(jìn)展進(jìn)行了較為系統(tǒng)的整理總結(jié)。李斌[5]對(duì)氮化物陶瓷基復(fù)合材料天線罩的耐燒蝕、透波性能等展開了研究。周永鑫等[6]針對(duì)石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料天線罩開展了模擬燒蝕邊界的熱力耦合試驗(yàn)方法研究以及仿真計(jì)算分析。吳大方等[7-8]對(duì)高超飛行器輕質(zhì)防熱材料在高溫環(huán)境下的隔熱性能進(jìn)行研究。隨著導(dǎo)彈天線罩新型材料不斷發(fā)展，導(dǎo)彈天線罩結(jié)構(gòu)形式也在不斷優(yōu)化。導(dǎo)彈飛行速度的不斷攀升，導(dǎo)彈的飛行熱載荷環(huán)境急劇上升，傳統(tǒng)單層天線罩結(jié)構(gòu)的防隔熱性能已難以滿足天線罩內(nèi)部雷達(dá)導(dǎo)引頭的耐溫使用要求，導(dǎo)彈天線罩開始向多夾層、內(nèi)外罩等新型結(jié)構(gòu)形式發(fā)展。柴峻[9]針對(duì)臨近空間高超聲速飛行器典型多層隔熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了傳熱計(jì)算，分析了不同材料層（C/SiC陶瓷基復(fù)合材料、氧化鋁纖維隔熱氈、鈦合金板、硅膠層）厚度變化對(duì)結(jié)構(gòu)隔熱性能的影響規(guī)律，以及使用耐高溫復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)層時(shí)的多層隔熱結(jié)構(gòu)的減重情況。孫磊[10]采用數(shù)值模擬方法對(duì)復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)天線罩開展傳熱分析，對(duì)比了復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)和單層結(jié)構(gòu)的傳熱特性差異。雖然上述有關(guān)導(dǎo)彈天線罩新材料、新結(jié)構(gòu)形式的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，然而針對(duì)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩結(jié)構(gòu)隔熱性能的研究依然相對(duì)較少。鑒于未來纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料將會(huì)成為快速、遠(yuǎn)射程、機(jī)動(dòng)變軌導(dǎo)彈天線罩的主流應(yīng)用材料，有效評(píng)估纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩的隔熱性能對(duì)未來導(dǎo)彈的發(fā)展至關(guān)重要。本文對(duì)某型纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)、外雙層天線罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將天線罩外罩、內(nèi)罩以及導(dǎo)引頭天線陣面分別簡(jiǎn)化為三層平板結(jié)構(gòu)。采用石英燈輻射加熱方法分別對(duì)雙層天線罩結(jié)構(gòu)及其簡(jiǎn)化模型開展隔熱性能試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析結(jié)果差異，進(jìn)而采用兩種不同的計(jì)算方法對(duì)簡(jiǎn)化模型在相同溫度邊界條件下的隔熱性能開展仿真模擬，定量分析了熱對(duì)流效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響，為纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩的隔熱性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 雙層天線罩結(jié)構(gòu)及其簡(jiǎn)化模型

以某纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩為研究對(duì)象，天線罩結(jié)構(gòu)由外罩、內(nèi)罩、連接環(huán)組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。外罩、內(nèi)罩材料均為石英纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，導(dǎo)引頭主體結(jié)構(gòu)天線陣面為金屬材料。為了便于進(jìn)行隔熱分析計(jì)算，對(duì)天線罩與導(dǎo)引頭裝配模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。將天線罩外罩、內(nèi)罩及導(dǎo)引頭天線陣面簡(jiǎn)化為相同材料、相同厚度的平板結(jié)構(gòu)，三層平板由外向內(nèi)依次代表天線罩外罩、內(nèi)罩及導(dǎo)引頭天線陣面。外、中、內(nèi)三層平板之間的距離按照天線罩外罩與內(nèi)罩、內(nèi)罩與天線陣面之間的最小直線距離進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。為模擬天線罩導(dǎo)引頭艙熱密封邊界條件，在三塊平板四周設(shè)計(jì)框架進(jìn)行包覆以實(shí)現(xiàn)熱密閉空間，框架材料亦為石英纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。平板簡(jiǎn)化模型示意圖如圖2所示，組裝后的平板簡(jiǎn)化模型如圖3所示。為保證熱載荷邊界條件狀態(tài)一致，平板簡(jiǎn)化模型受熱面與真實(shí)雙層天線罩結(jié)構(gòu)外罩外表面均涂黑以確保相同表面熱輻射吸收率。此外簡(jiǎn)化模型中層、內(nèi)層平板表面狀態(tài)與真實(shí)雙層天線罩結(jié)構(gòu)內(nèi)罩、天線陣面表面狀態(tài)均保持一致。

圖1 雙層天線罩示意圖（非真實(shí)結(jié)構(gòu)）

圖2 平板簡(jiǎn)化模型示意圖

圖3 組裝后的平板簡(jiǎn)化模型

2 天線罩及其簡(jiǎn)化模型隔熱試驗(yàn)

2.1 熱載荷模擬

以天線罩外表面溫度—時(shí)間歷程作為熱載荷條件，采用石英燈輻射加熱方法，模擬飛行過程中天線罩承受的熱載荷環(huán)境。對(duì)于雙層天線罩全罩結(jié)構(gòu)，為了真實(shí)模擬罩體外表面沿母線方向由后端向前端氣動(dòng)加熱逐漸嚴(yán)酷的狀態(tài)，結(jié)合飛行狀態(tài)熱載荷環(huán)境，沿罩體高度方向分為三層石英燈陣，按照三種不同的溫度條件施加熱載荷，模擬外罩外表面氣動(dòng)加熱。每層石英燈陣沿天線罩環(huán)向均勻?qū)ΨQ分布，施加環(huán)向均勻熱場(chǎng)，石英燈輻射加熱范圍如圖4所示。需要說明的是，盡管天線罩端頭駐點(diǎn)區(qū)域溫度最高，但駐點(diǎn)位置處外罩厚度較大（非薄壁結(jié)構(gòu)）且遠(yuǎn)離內(nèi)罩及導(dǎo)引頭天線陣面，該區(qū)域升溫對(duì)整個(gè)罩體結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱場(chǎng)影響較為微弱，因此石英燈加熱區(qū)域未覆蓋駐點(diǎn)。天線罩外表面由前端至后端溫度條件如圖5所示，全罩隔熱試驗(yàn)熱載荷控制如圖6所示。對(duì)于簡(jiǎn)化模型，選取最靠近內(nèi)罩的外罩所在截面的外壁面溫度作為平板簡(jiǎn)化模型的溫度條件，采用平面石英燈陣列對(duì)與之平行放置的平板簡(jiǎn)化模型受熱面施加熱載荷，保證外表面處于均勻熱場(chǎng)范圍。簡(jiǎn)化模型隔熱試驗(yàn)熱載荷控制如圖7所示，峰值溫度處的最大相對(duì)偏差量為2.6%，具體見表1。

圖4 全罩隔熱試驗(yàn)加熱區(qū)域示意圖

圖5 全罩隔熱試驗(yàn)熱載荷條件

圖6 全罩隔熱試驗(yàn)加熱控制

表1 全罩隔熱試驗(yàn)各加熱區(qū)峰值溫度最大相對(duì)偏差

2.2 結(jié)果對(duì)比分析

全罩隔熱試驗(yàn)中，測(cè)量天線罩外罩內(nèi)壁、內(nèi)罩內(nèi)外壁、雷達(dá)天線陣面等不同區(qū)域典型位置的溫度響應(yīng)。熱載荷沿天線罩高度方向變化，且不同高度處天線罩外罩與內(nèi)罩、內(nèi)罩與天線陣面間的距離存在較大差異，上述情況導(dǎo)致天線罩內(nèi)、外罩沿母線方向的溫度分布以及天線陣表面不同位置的溫度分布出現(xiàn)梯度。鑒于此，全罩隔熱試驗(yàn)中選取內(nèi)、外罩最小間距所在截面附近位置的溫度，與平板簡(jiǎn)化模型隔熱試驗(yàn)外層板內(nèi)表面、中層板內(nèi)外表面、內(nèi)層板的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖8及表2。

通過試驗(yàn)結(jié)果可知，同全罩隔熱試驗(yàn)外罩內(nèi)壁、內(nèi)罩內(nèi)外壁、導(dǎo)引頭天線陣面等各處溫度相比，平板簡(jiǎn)化模型隔熱試驗(yàn)中相同位置的溫度均低于雙層天線罩真實(shí)結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致簡(jiǎn)化模型溫度偏低的可能原因主要有以下幾點(diǎn)

1）平板簡(jiǎn)化模型各層之間規(guī)則的立方體空腔與真實(shí)雙層天線罩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的三維空腔存在較大差異；

2）平板簡(jiǎn)化模型由外向內(nèi)沿厚度方向?yàn)榻频囊痪S熱傳導(dǎo)+平面熱對(duì)流模型，與真實(shí)雙層天線罩結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿厚度及母線兩個(gè)方向的二維熱傳導(dǎo)+三維空腔熱對(duì)流模型存在較大差異。

圖7 簡(jiǎn)化模型隔熱試驗(yàn)加熱控制

圖8 天線罩及其簡(jiǎn)化模型隔熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 天線罩及其簡(jiǎn)化模型隔熱試驗(yàn)峰值溫度偏差對(duì)比

3 簡(jiǎn)化模型隔熱仿真分析

為了進(jìn)一步定量分析空腔熱對(duì)流效應(yīng)對(duì)內(nèi)部溫度場(chǎng)產(chǎn)生的影響，對(duì)平板簡(jiǎn)化模型開展隔熱仿真分析。按照與隔熱試驗(yàn)相同的溫度邊界條件對(duì)簡(jiǎn)化模型受熱面施加熱載荷，同時(shí)考慮外層板與中層板、中層板與內(nèi)層板之間的熱輻射+熱對(duì)流耦合效應(yīng)，計(jì)算各層板的溫度。在此基礎(chǔ)上，采用相同的計(jì)算模型，在僅考慮三層平板彼此之間熱輻射效應(yīng)的情況下，計(jì)算各層板的溫度。提取相同時(shí)刻上述兩種不同計(jì)算方法獲得的溫度場(chǎng)，如圖9所示。可以看出，單純采用熱輻射計(jì)算方法獲得的溫度場(chǎng)分布僅沿一維厚度方向出現(xiàn)梯度，而考慮熱對(duì)流效應(yīng)后，兩處空腔及中層板、內(nèi)層板的溫度場(chǎng)呈現(xiàn)二維分布。提取熱輻射+熱對(duì)流、僅熱輻射兩種不同計(jì)算方法各層板的溫度仿真結(jié)果，與隔熱試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可見如表3。

a)熱輻射+熱對(duì)流計(jì)算方法b)僅熱輻射計(jì)算方法

表3 計(jì)算溫升與試驗(yàn)溫升偏差對(duì)比

由表3和圖10可看出：1）對(duì)于外層板內(nèi)壁，兩種計(jì)算方法結(jié)果基本一致且均低于試驗(yàn)結(jié)果，偏差為7%～8%。2）對(duì)于中層板內(nèi)、外壁，試驗(yàn)結(jié)果低于兩種計(jì)算結(jié)果，熱輻射計(jì)算結(jié)果略高于熱輻射+熱對(duì)流計(jì)算結(jié)果。主要原因是中層板升溫后，與內(nèi)層鋁板的溫差加大，而外層板與中層板均處于較高溫度水平，中層板與內(nèi)層鋁板對(duì)流換熱帶走的熱量大于中層板與外層板換熱吸收的熱量，此時(shí)的熱對(duì)流會(huì)降低中層板的溫度。3）對(duì)于內(nèi)層鋁板，試驗(yàn)結(jié)果與熱輻射+熱對(duì)流計(jì)算結(jié)果基本一致且均高于熱輻射計(jì)算結(jié)果，末溫偏差超過30%?？梢姛釋?duì)流效應(yīng)對(duì)內(nèi)部溫度場(chǎng)產(chǎn)生的影響不容忽視，若僅考慮熱輻射，導(dǎo)引頭天線的溫度計(jì)算結(jié)果將遠(yuǎn)低于實(shí)際狀態(tài)。

4 結(jié)論

針對(duì)某纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩結(jié)構(gòu)隔熱性能展開研究，將雙層天線罩簡(jiǎn)化為三層平板結(jié)構(gòu)，采用石英燈輻射加熱分別對(duì)雙層天線罩結(jié)構(gòu)及其簡(jiǎn)化模型開展隔熱試驗(yàn)，分析結(jié)果差異。在此基礎(chǔ)上，按照與簡(jiǎn)化模型隔熱試驗(yàn)相同的熱邊界、熱載荷條件，分別采用熱輻射/熱對(duì)流耦合、單純熱輻射兩種計(jì)算方法對(duì)平板簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真計(jì)算，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析熱對(duì)流效應(yīng)對(duì)雙層結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響。分析結(jié)果表明：1）受不同形狀空腔熱對(duì)流效應(yīng)的影響，簡(jiǎn)化模型隔熱試驗(yàn)外罩內(nèi)壁、內(nèi)罩內(nèi)外壁、導(dǎo)引頭天線陣面等位置處的溫度均低于真實(shí)雙層天線罩結(jié)構(gòu)隔熱試驗(yàn)結(jié)果；2）對(duì)于平板簡(jiǎn)化模型，空腔熱對(duì)流效應(yīng)對(duì)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布影響顯著，若不考慮熱對(duì)流效應(yīng)，中層板內(nèi)壁溫度、內(nèi)層鋁板溫度將分別比實(shí)際狀態(tài)低12.4%、35.0%；3）對(duì)于真實(shí)雙層天線罩結(jié)構(gòu)，三維空腔熱對(duì)流效應(yīng)對(duì)天線罩內(nèi)部溫度場(chǎng)產(chǎn)生的影響更加顯著，有待通過仿真計(jì)算進(jìn)一步深入分析。雖然通過簡(jiǎn)化模型對(duì)雙層天線罩結(jié)構(gòu)開展了隔熱性能分析，但目前的研究尚未準(zhǔn)確構(gòu)建平板簡(jiǎn)化模型與真實(shí)雙層天線罩結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，也未能全面評(píng)估熱邊界條件、空腔對(duì)流換熱效應(yīng)等因素對(duì)二者隔熱性能差異的影響到底有多大。未來將進(jìn)一步針對(duì)上述不足開展深入研究，以期更加全面地對(duì)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩結(jié)構(gòu)的防隔熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

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Thermal Insulation Experiment and Simulation for Ceramic Matrix Double-deck Radome with its Simplified Model

XUE Yu-xuan1SONG Lei2HE Xi-bo1XIAO Nai-feng1HU You-hong1

（1 Beijing Institute of Structure and Environment Engineering ,Beijing 100076, China; 2 China Academy of Launch Vehicle Technology ,Beijing 100076, China）

This paper analysis the thermal insulation performance of fiber reinforced ceramic matrix composite double-deck radome. For the convenience of analysis, the double-deck radome was simplified to a three-layer plate model. By using radiation heating method of quartz lamp, thermal insulation experiment was carried out on the double-deck radome and its simplified model. The experiment results were compared and the reasons for the results differences were analyzed. What’s more, simulation evaluation of thermal insulation performance for simplified model was carried out and the effect of thermal convection on inner temperature distribution was analyzed. The research can be used for thermal insulation performance analysis and structural optimization design of fiber reinforced ceramic matrix composite double-deck radome.

Fiber reinforced; Ceramic matrix composite; Double-deck radome; Thermal insulation experiment; Simulation analys

V416.4

A

1006-3919(2021)05-0040-05

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.05.007

2021-03-11；

2021-06-19

薛宇軒（1989—），男，碩士，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)技術(shù)；（100076）北京市9200信箱72分箱.