题目：具有抗冲击性能的管板组合热防护结构研究

热防护系统是高超音速飞行器的重要组成部分。作为隔离气动产生的热量、保持飞行器内部低温环境、维持机体外形的功能结构，热防护系统需要能够承受恶劣的高温工作环境，而且要满足质量轻、隔热能力好、比强度比刚度大、易维护等要求。镍合金材料，由于其特有的韧性和易加工性等优点，目前依然是可重复发射飞行器热防护结构的首选材料。热防护系统经历了几个阶段的发展，正逐渐朝着耐高温、主动冷却、抗冲击的防热-结构一体化方向迈进。本文设计了一种以镍合金材料为主体的管板组合热防护结构。这种管板组合结构被发现是一种很好的抗冲击高吸能的结构形式，但隔热特性如何目前尚不清楚。本文的选题正是基于耐高温、主动冷却、抗冲击的防热-结构一体化设计的新概念，研究这种防护瓦的隔热特性，特别要考虑在主动内部冷却，和产生冲击变形的情况下，防护瓦的隔热特性。本文创新工作有：（1）在保证其可以承受800℃高温的情况下，用有限元方法研究了结构受高温冲击的响应。首先对无冷却结构进行热传导分析；然后模拟在管道中以不同流速通入高压气体，计算了主动冷却情况下系统的瞬态温度分布，并与无冷却的结果对比。结果发现通入空气冷却，能够有效地吸收结构热量、明显降低结构温度；而且冷却介质流速越高，冷却效果更好。改变每层圆管的数量，发现管的数量越多，虽然增加了结构导热路径，但由于冷却吸收的热量也增多，总的来说会使隔热效果更好。（2）对单一管板组件受到强动外载冲击产生较大变形后的隔热性能研究，我们发现结构出现的大变形，由于管与板的接触面积增加，会在很大程度上使管板组件的隔热性能劣化，例如：当组件上表面板被压缩下降6mm（圆管内径7mm）时，计算发现下表面板相比不受冲击情形的最低温度上升近2.8倍。研究结构变形对隔热能力的影响对综合设计热防护系统有一定指导意义。（3）建立了理论模型，在单一管热传导分析的基础上，进一步建立了偏微分控制方程组可用于分析板组件在发生大塑性变形以后的热传导特性的数学模型，并结合数值解进行了讨论。随后对结构应力分布进行了讨论，发现在管板组件不受冲击变形时，结构应力主要集中在上下板与管的连接处。这就要求在结构设计加工过程中要特别注意连接处的强度问题。