题目：蜂窝夹芯结构应力和防热性能分析

可重复使用飞行器在大气层中飞行时受到气动加热作用，特别是再入返回大气层时，气动加热状况相当剧烈，机翼和前缘的温度可以达到上千度。为了保护内部机载设备的正常使用和航天员的安全返回，必须采用热防护结构进行保护。金属热防护系统是保证可重复使用航天运载器安全、快捷、经济飞行的关键技术之一。目前国外在这方面已经有了大量的研究，而国内在这部份的研究较少。这里通过介绍MTPS的结构特点及国内外的研究现状，指出了尚未解决的问题，并预测了金属热防护系统的发展趋势。基于气动加热和蜂窝夹芯结构上下面板的热辐射和芯层的热传导，利用经典的气动热计算公式和热传导、辐射定律，建立了基于变物性和气动热条件下典型热防护结构金属热防护系统(MTPS)蜂窝夹芯结构温度场的数学模型，采用数值计算流程，研究了蜂窝板在几种典型飞行工况下的温度场，蜂窝面板不同位置处气动热流密度和温度，来流流动状态对气动热的影响，结构几何参数和材料参数对蜂窝夹芯板热防护效果的影响。算例分析表明：在近地面气动热流密度较大，驻点附近飞行器表面温度下降显著，其后趋于平缓，来流在湍流状态下气动热流密度比层流状态下大好几倍，增大蜂窝结构上面板的灰度可降低下面板表面温度，增强蜂窝夹芯结构的热防护能力。考虑热传导和热辐射两种传热形式对蜂窝芯层温度场的耦合作用， 并同时在MTPS蜂窝夹芯结构芯层全灰体假设的基础，根据稳态时热流量守恒建立了蜂窝芯层温度场的非线性积分方程，离散化后利用数值方法得到方程组的数值解，计算结果与美国兰利研究中心的实验结果对比吻合很好。讨论了下面板、柱体层的灰度、蜂窝结构长径比对结构温度场的影响。并根据得到的温度场，利用热弹性位移势函数和LOVE位移函数得到用贝塞尔函数表达的蜂窝芯层热应力。计算结果表明：在考虑芯层腔内辐射的情况下，腔内温度在高度方向呈现明显的非线性变化，并且温度在中间段变化不大，而在两端变化剧烈。增加蜂窝结构的长径比和芯层的灰度均能有效地降低结构的温度场。芯层热应力在两端应力值较大，并且在壁厚方向呈现明显的对称特点。