题目：高温合金热防护系统性能研究与优化设计

热防护系统的主要功用是控制进入飞行器的热流，使飞行器主体结构维持在所允许的温度范围内。高温合金式金属热防护系统因其具有轻质、良好的可操作性和可重复使用性能、成本高效以及可实现热防护系统隔热承载一体化设计等优势而成为当前热防护系统领域研究的焦点。本文以高超声速飞行器热防护系统的设计为工程背景，对金属热防护系统进行隔热和承载性能的分析，并对隔热层尺寸进行优化设计，为新型金属热防护系统的设计提供一定的理论依据和设计指导。首先建立了金属热防护系统的热分析有限元模型，对其进行瞬态传热分析，主要考虑结构内固体热传导和热辐射共同作用的复合传热问题。对结构主要参数和外载荷条件进行参数化分析，详细研究隔热材料的热物理性能和外载荷条件对系统隔热性能的影响，获取具有一定工程意义的参数设计选取规律。以结构瞬态热分析结果作为载荷输入，采用顺序耦合法对结构的热力耦合问题进行求解，对比分析热力耦合作用对结构承载特性影响的机制，对结构在热载荷下的强度进行校核。鉴于目前针对单块金属防热结构在热环境下固有振动特性的研究相对较少，研究了瞬态热载荷作用对单块防热结构固有振动特性的影响机制，分析比较几何非线性和材料非线性对结构固有振动特性的影响效果。考虑到热防护结构中隔热层占据了大部分体积，其主要作用是减少进入底部飞行器主体结构的热量，因此对隔热层尺寸的优化设计是提高热防护系统隔热性能和减轻结构重量的重要途径。对金属热防护系统隔热层的尺寸进行优化设计，以系统隔热性能和质量要求约束条件，获取中间隔热层的最优设计尺寸。