·244· 工程科学学报，第37卷，第2期 仅给气动力的计算和飞行器的精确控制带来很大困 金作为管材，而耐热材料往往为C/C复合材料，由于 难，而且可重复使用性能较差：隔热型热防护结构和对 二者之间的热膨胀系数差别近10倍，因此带来了严重 流冷却型热防护结构针对存在局部超高温的结构不仅 的热失配现象，此时采用同样是碳材料的高热导率材 效率很低，而且很难长时间在高温环境中工作。因此， 料作为热量疏导介质的热防护方法引起了研究者的关 与这些热防护结构相比，疏导式热防护就成为一种相 注.李同起和胡子君提出了利用高导热碳材料进行疏 对高效的热防护方式. 导式热管理的思路，并根据碳材料的结构特点设计了 疏导式热防护的基本思想是采用某种高导热率的 几种可能的热管理结构模型，姜贵庆等a进行了 材料或结构将驻点附近的高气动热流快速疏导至结构 内置高热导率材料疏导热防护的试验研究，孙健和刘 后部的低热流区，从而实现降低驻点温度、提高结构后 伟强7-网针对内置高导热层的疏导式热防护结构进 部温度、降低结构温度梯度及热应力的目的.疏导式 行了数值模拟研究，给出了疏导防热系统的结构参数 热防护的基本类型有两种，一种采用内置的高温热管 和材料参数对冷却效果的影响结果，但是他们的研究 进行热量的疏导，另一种采用内置的高热导率材料. 并没有考虑界面接触热阻的影响. 内置高温热管的疏导式热防护研究最早开始于 内置的高导热材料与外部的耐热材料之间的接触 1971年Silverstein0的工作，他给出了疏导式热防护结 热阻对疏导式热防护效果有很大的影响，目前这方面 构的概念设计.随后Camarda等四、Colwell等回、 的研究还不多见.本文首先针对常用的耐热材料（三 Jang、Wojcik和Clark、Juhasz和Rovang以及 维编织C/C复合材料)与高热导率材料（高导C/C复 Glass等切分别从不同的角度通过理论分析、数值模拟 合材料)之间的界面接触热阻进行了初步的试验研 和试验研究验证了内置高温热管疏导式热防护的可行 究，进而针对内置高导C/C材料的疏导式热防护结构 性.国内关于内置高温热管的研究近些年刚刚起步， 原理模型进行了防热效果数值模拟，并与已有试验结 姜贵庆等阅提出了增加固体介质的导热系数和采用高 果进行了对比，最后给出了各种结构材料参数对结构 温热管冷却的两种热防护方案，刘冬欢等9山针对内 防热效果的影响.本文研究成果可为内置高导C/C材 置高温热管疏导式热防护的热力耦合机理及界面热阻 料的疏导式热防护结构的设计及安全评估提供技术 对热防护效果的影响进行了研究，肖光明等网基于热 储备 网络分析法研究了疏导式热防护用高温热管的启动特 性团，鲁芹等人基于等效热容的方法研究了高温热管 1原理模型 的启动特性，陈连忠等试验验证了高温热管在疏导 为了考察内置高导C/C材料疏导式热防护的防 式热防护应用上的可行性.高温热管一般采用高温合 热效果，建立其原理模型如图1所示 180 150 SR13 SR17 50 ICC复合材料 2高导C/C复合材料 图1内置高导C/C材料疏导式热防护原理模型（单位：mm) Fig.I Principle model of a heat-pipe-cooled thermal protection structure with an embedded high thermal conductivity C/C material (unit:mm) 图1中材料1为耐热三维编织C/C复合材料，这 结构温度场分析的控制方程为 里假设材料参数不随温度变化，其热导率为66.1W· V·(k7T)+f=0 (1) m,K,密度为1960kg·m3,比热容1790J·kg· 这里：k为材料热导率矩阵：T为结构温度：∫为生热 K1.材料2为高导C/C材料，其轴向热导率为991.5 率，本研究中为零 Wm1·K1,其他材料属性同普通C/C材料. 在三维编织C/C材料外表面施加给定热流边界 试验和数值模拟时的热环境为：来流总焓为10 条件，给定的热流q由两部分组成，一部分是气动热， Mkg1,驻点热流2900kW·m2.以球头顶点为x轴 另一部分是辐射到外部空间的热量，即 坐标原点，球头部分的气动热流密度载荷如图2所示， 9=9.-0e(T-T4). (2) 柱段部分的热流密度由217.2kW·m2线性地降低 这里，q。为气动热；o为Stefan--Boltzmann常数，取为 到零 5.67×10-8W·m2·K4:e为辐射率，取为0.8：T.为工程科学学报，第 37 卷，第 2 期 仅给气动力的计算和飞行器的精确控制带来很大困 难，而且可重复使用性能较差; 隔热型热防护结构和对 流冷却型热防护结构针对存在局部超高温的结构不仅 效率很低，而且很难长时间在高温环境中工作． 因此， 与这些热防护结构相比，疏导式热防护就成为一种相 对高效的热防护方式． 疏导式热防护的基本思想是采用某种高导热率的 材料或结构将驻点附近的高气动热流快速疏导至结构 后部的低热流区，从而实现降低驻点温度、提高结构后 部温度、降低结构温度梯度及热应力的目的． 疏导式 热防护的基本类型有两种，一种采用内置的高温热管 进行热量的疏导，另一种采用内置的高热导率材料． 内置高温热管的疏导式热防护研究最早开始于 1971 年 Silverstein［1］的工作，他给出了疏导式热防护结 构 的 概 念 设 计． 随 后 Camarda 等［2］、Colwell 等［3］、 Jang［4］、Wojcik 和 Clark［5］、Juhasz 和 Ｒovang［6］ 以 及 Glass 等［7］分别从不同的角度通过理论分析、数值模拟 和试验研究验证了内置高温热管疏导式热防护的可行 性． 国内关于内置高温热管的研究近些年刚刚起步， 姜贵庆等［8］提出了增加固体介质的导热系数和采用高 温热管冷却的两种热防护方案，刘冬欢等［9--11］针对内 置高温热管疏导式热防护的热力耦合机理及界面热阻 对热防护效果的影响进行了研究，肖光明等［12］基于热 网络分析法研究了疏导式热防护用高温热管的启动特 性［13］，鲁芹等人基于等效热容的方法研究了高温热管 的启动特性，陈连忠等［14］试验验证了高温热管在疏导 式热防护应用上的可行性． 高温热管一般采用高温合 金作为管材，而耐热材料往往为 C /C 复合材料，由于 二者之间的热膨胀系数差别近 10 倍，因此带来了严重 的热失配现象，此时采用同样是碳材料的高热导率材 料作为热量疏导介质的热防护方法引起了研究者的关 注． 李同起和胡子君提出了利用高导热碳材料进行疏 导式热管理的思路，并根据碳材料的结构特点设计了 几种可能的热管理结构模型［15］，姜贵庆等［16］进行了 内置高热导率材料疏导热防护的试验研究，孙健和刘 伟强［17--19］针对内置高导热层的疏导式热防护结构进 行了数值模拟研究，给出了疏导防热系统的结构参数 和材料参数对冷却效果的影响结果，但是他们的研究 并没有考虑界面接触热阻的影响． 内置的高导热材料与外部的耐热材料之间的接触 热阻对疏导式热防护效果有很大的影响，目前这方面 的研究还不多见． 本文首先针对常用的耐热材料( 三 维编织 C /C 复合材料) 与高热导率材料( 高导 C /C 复 合材料) 之间的界面接触热阻进行了初步的试验研 究，进而针对内置高导 C /C 材料的疏导式热防护结构 原理模型进行了防热效果数值模拟，并与已有试验结 果进行了对比，最后给出了各种结构材料参数对结构 防热效果的影响． 本文研究成果可为内置高导 C /C 材 料的疏导式热防护结构的设计及安全评估提供技术 储备． 1 原理模型 为了考察内置高导 C /C 材料疏导式热防护的防 热效果，建立其原理模型如图 1 所示． 图 1 内置高导 C /C 材料疏导式热防护原理模型( 单位: mm) Fig． 1 Principle model of a heat-pipe-cooled thermal protection structure with an embedded high thermal conductivity C /C material ( unit: mm) 图 1 中材料 1 为耐热三维编织 C /C 复合材料，这 里假设材料参数不随温度变化，其热导率为 66. 1 W· m － 1·K － 1，密度为 1960 kg·m － 3，比热容 1790 J·kg － 1· K － 1 ． 材料 2 为高导 C /C 材料，其轴向热导率为 991. 5 W·m － 1·K － 1，其他材料属性同普通 C /C 材料． 试验和数值模拟时的热环境为: 来流总焓为 10 MJ·kg － 1，驻点热流 2900 kW·m － 2 ． 以球头顶点为 x 轴 坐标原点，球头部分的气动热流密度载荷如图 2 所示， 柱段部分 的 热 流 密 度 由 217. 2 kW·m － 2 线 性地 降 低 到零． 结构温度场分析的控制方程为 Δ ·( k Δ T) + f = 0． ( 1) 这里: k 为材料热导率矩阵; T 为结构温度; f 为生热 率，本研究中为零． 在三维编织 C /C 材料外表面施加给定热流边界 条件，给定的热流 q 由两部分组成，一部分是气动热， 另一部分是辐射到外部空间的热量，即 q = qa － σε( T4 － T4 ∞ ) ． ( 2) 这里，qa 为气动热; σ 为 Stefan--Boltzmann 常数，取为 5. 67 × 10 － 8 W·m － 2·K － 4 ; ε 为辐射率，取为 0. 8; T∞ 为 · 442 ·