薛宇軒 宋磊 何西波 肖乃風(fēng) 胡由宏

陶瓷基雙層天線罩簡化模型隔熱試驗與仿真

薛宇軒1宋磊2何西波1肖乃風(fēng)1胡由宏1

（1 北京強度環(huán)境研究所，北京100076；2 中國運載火箭技術(shù)研究院，北京100076）

對某纖維增強陶瓷基復(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)簡化為三層平板模型，采用石英燈輻射加熱方法分別對雙層天線罩結(jié)構(gòu)及其簡化模型開展隔熱試驗，對比試驗結(jié)果并分析差異原因，進一步采用計算方法對簡化模型進行隔熱性能仿真評估，對比分析熱對流效應(yīng)對內(nèi)部溫度場產(chǎn)生的影響，為纖維增強陶瓷基復(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)計提供指導(dǎo)。

纖維增強；陶瓷基復(fù)合材料；雙層天線罩；隔熱試驗；仿真

0 引言

導(dǎo)彈天線罩是位于導(dǎo)彈最前端用于保護導(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，對天線罩材料及結(jié)構(gòu)形式均提出了更加嚴格的要求。經(jīng)過半個多世紀的發(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)計使用要求[3]。有關(guān)纖維增強陶瓷基復(fù)合材料的使用性能及其在導(dǎo)彈天線罩中的應(yīng)用，國內(nèi)外已經(jīng)取得了一定的進展。雷景軒[4]對石英纖維增強石英陶瓷基復(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)容的研究進展進行了較為系統(tǒng)的整理總結(jié)。李斌[5]對氮化物陶瓷基復(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]針對石英纖維增強復(fù)合材料天線罩開展了模擬燒蝕邊界的熱力耦合試驗方法研究以及仿真計算分析。吳大方等[7-8]對高超飛行器輕質(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]針對臨近空間高超聲速飛行器典型多層隔熱結(jié)構(gòu)進行了傳熱計算，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)值模擬方法對復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)天線罩開展傳熱分析，對比了復(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)取得了一定的進展，然而針對纖維增強陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩結(jié)構(gòu)隔熱性能的研究依然相對較少。鑒于未來纖維增強陶瓷基復(fù)合材料將會成為快速、遠射程、機動變軌導(dǎo)彈天線罩的主流應(yīng)用材料，有效評估纖維增強陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩的隔熱性能對未來導(dǎo)彈的發(fā)展至關(guān)重要。本文對某型纖維增強陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)、外雙層天線罩結(jié)構(gòu)進行簡化，將天線罩外罩、內(nèi)罩以及導(dǎo)引頭天線陣面分別簡化為三層平板結(jié)構(gòu)。采用石英燈輻射加熱方法分別對雙層天線罩結(jié)構(gòu)及其簡化模型開展隔熱性能試驗，對比試驗數(shù)據(jù)并分析結(jié)果差異，進而采用兩種不同的計算方法對簡化模型在相同溫度邊界條件下的隔熱性能開展仿真模擬，定量分析了熱對流效應(yīng)對結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的影響，為纖維增強陶瓷基復(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)計提供指導(dǎo)。

1 雙層天線罩結(jié)構(gòu)及其簡化模型

以某纖維增強陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩為研究對象，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。為了便于進行隔熱分析計算，對天線罩與導(dǎo)引頭裝配模型進行簡化。將天線罩外罩、內(nèi)罩及導(dǎo)引頭天線陣面簡化為相同材料、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行簡化設(shè)計。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)計框架進行包覆以實現(xiàn)熱密閉空間，框架材料亦為石英纖維增強陶瓷基復(fù)合材料。平板簡化模型示意圖如圖2所示，組裝后的平板簡化模型如圖3所示。為保證熱載荷邊界條件狀態(tài)一致，平板簡化模型受熱面與真實雙層天線罩結(jié)構(gòu)外罩外表面均涂黑以確保相同表面熱輻射吸收率。此外簡化模型中層、內(nèi)層平板表面狀態(tài)與真實雙層天線罩結(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（非真實結(jié)構(gòu)）

圖2 平板簡化模型示意圖

圖3 組裝后的平板簡化模型

2 天線罩及其簡化模型隔熱試驗

2.1 熱載荷模擬

以天線罩外表面溫度—時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。對于雙層天線罩全罩結(jié)構(gòu)，為了真實模擬罩體外表面沿母線方向由后端向前端氣動加熱逐漸嚴酷的狀態(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，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區(qū)域溫度最高，但駐點位置處外罩厚度較大（非薄壁結(jié)構(gòu)）且遠離內(nèi)罩及導(dǎo)引頭天線陣面，該區(qū)域升溫對整個罩體結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱場影響較為微弱，因此石英燈加熱區(qū)域未覆蓋駐點。天線罩外表面由前端至后端溫度條件如圖5所示，全罩隔熱試驗熱載荷控制如圖6所示。對于簡化模型，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化模型的溫度條件，采用平面石英燈陣列對與之平行放置的平板簡化模型受熱面施加熱載荷，保證外表面處于均勻熱場范圍。簡化模型隔熱試驗熱載荷控制如圖7所示，峰值溫度處的最大相對偏差量為2.6%，具體見表1。

圖4 全罩隔熱試驗加熱區(qū)域示意圖

圖5 全罩隔熱試驗熱載荷條件

圖6 全罩隔熱試驗加熱控制

表1 全罩隔熱試驗各加熱區(qū)峰值溫度最大相對偏差

2.2 結(jié)果對比分析

全罩隔熱試驗中，測量天線罩外罩內(nèi)壁、內(nèi)罩內(nèi)外壁、雷達天線陣面等不同區(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，與平板簡化模型隔熱試驗外層板內(nèi)表面、中層板內(nèi)外表面、內(nèi)層板的溫度測量數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見圖8及表2。

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

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

2）平板簡化模型由外向內(nèi)沿厚度方向為近似的一維熱傳導(dǎo)+平面熱對流模型，與真實雙層天線罩結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿厚度及母線兩個方向的二維熱傳導(dǎo)+三維空腔熱對流模型存在較大差異。

圖7 簡化模型隔熱試驗加熱控制

圖8 天線罩及其簡化模型隔熱試驗數(shù)據(jù)

表2 天線罩及其簡化模型隔熱試驗峰值溫度偏差對比

3 簡化模型隔熱仿真分析

為了進一步定量分析空腔熱對流效應(yīng)對內(nèi)部溫度場產(chǎn)生的影響，對平板簡化模型開展隔熱仿真分析。按照與隔熱試驗相同的溫度邊界條件對簡化模型受熱面施加熱載荷，同時考慮外層板與中層板、中層板與內(nèi)層板之間的熱輻射+熱對流耦合效應(yīng)，計算各層板的溫度。在此基礎(chǔ)上，采用相同的計算模型，在僅考慮三層平板彼此之間熱輻射效應(yīng)的情況下，計算各層板的溫度。提取相同時刻上述兩種不同計算方法獲得的溫度場，如圖9所示?？梢钥闯觯瑔渭儾捎脽彷椛溆嬎惴椒ǐ@得的溫度場分布僅沿一維厚度方向出現(xiàn)梯度，而考慮熱對流效應(yīng)后，兩處空腔及中層板、內(nèi)層板的溫度場呈現(xiàn)二維分布。提取熱輻射+熱對流、僅熱輻射兩種不同計算方法各層板的溫度仿真結(jié)果，與隔熱試驗結(jié)果進行對比可見如表3。

a)熱輻射+熱對流計算方法b)僅熱輻射計算方法

表3 計算溫升與試驗溫升偏差對比

由表3和圖10可看出：1）對于外層板內(nèi)壁，兩種計算方法結(jié)果基本一致且均低于試驗結(jié)果，偏差為7%～8%。2）對于中層板內(nèi)、外壁，試驗結(jié)果低于兩種計算結(jié)果，熱輻射計算結(jié)果略高于熱輻射+熱對流計算結(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，此時的熱對流會降低中層板的溫度。3）對于內(nèi)層鋁板，試驗結(jié)果與熱輻射+熱對流計算結(jié)果基本一致且均高于熱輻射計算結(jié)果，末溫偏差超過30%。可見熱對流效應(yīng)對內(nèi)部溫度場產(chǎn)生的影響不容忽視，若僅考慮熱輻射，導(dǎo)引頭天線的溫度計算結(jié)果將遠低于實際狀態(tài)。

4 結(jié)論

針對某纖維增強陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩結(jié)構(gòu)隔熱性能展開研究，將雙層天線罩簡化為三層平板結(jié)構(gòu)，采用石英燈輻射加熱分別對雙層天線罩結(jié)構(gòu)及其簡化模型開展隔熱試驗，分析結(jié)果差異。在此基礎(chǔ)上，按照與簡化模型隔熱試驗相同的熱邊界、熱載荷條件，分別采用熱輻射/熱對流耦合、單純熱輻射兩種計算方法對平板簡化模型進行仿真計算，與試驗結(jié)果進行對比，分析熱對流效應(yīng)對雙層結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場的影響。分析結(jié)果表明：1）受不同形狀空腔熱對流效應(yīng)的影響，簡化模型隔熱試驗外罩內(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雙層天線罩結(jié)構(gòu)隔熱試驗結(jié)果；2）對于平板簡化模型，空腔熱對流效應(yīng)對內(nèi)部溫度場的分布影響顯著，若不考慮熱對流效應(yīng)，中層板內(nèi)壁溫度、內(nèi)層鋁板溫度將分別比實際狀態(tài)低12.4%、35.0%；3）對于真實雙層天線罩結(jié)構(gòu)，三維空腔熱對流效應(yīng)對天線罩內(nèi)部溫度場產(chǎn)生的影響更加顯著，有待通過仿真計算進一步深入分析。雖然通過簡化模型對雙層天線罩結(jié)構(gòu)開展了隔熱性能分析，但目前的研究尚未準確構(gòu)建平板簡化模型與真實雙層天線罩結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，也未能全面評估熱邊界條件、空腔對流換熱效應(yīng)等因素對二者隔熱性能差異的影響到底有多大。未來將進一步針對上述不足開展深入研究，以期更加全面地對纖維增強陶瓷基復(fù)合材料雙層天線罩結(jié)構(gòu)的防隔熱設(shè)計提供指導(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)熱試驗技術(shù)；（100076）北京市9200信箱72分箱.