超声速导弹多功能结构设计研究

超声速导弹多功能结构设计研究

摘要:针对超声速导弹,设计了一种集承载、热防护与热电转换等功能于一体的多功能结构,并建立了此结构的热-结构耦合仿真分析模型。研究表明,上述结构具有较好的热防护性能和承载能力。将热电转换技术应用于超声速导弹可解决防隔热/承载一体化结构的热短路效应,并利用此效应可实现热量的再利用;将导弹舱段设计为内壁、外壁与隔热层,并在内壁安装热电装置,使结构兼具承载、热防护与热电转换多种功能,对超声速导弹设计具有指导意义。

关键词:超声速导弹;多功能结构;承载;热防护;热电转换

1引言

导弹超声速飞行时承受极大的热载荷和力载荷,影响导弹正常飞行,需要采取有效的热防护措施,保证导弹的结构和内部设置正常工作[1-3]。传统结构设计,热防护与承载等功能相互独立,随着对结构效率要求的不断提高,传统结构设计已经无法满足要求,需要开展多功能结构设计,即结构具备不少于两种的功能[4-5]。结构具备热防护与承载两种功能的防隔热/承载一体化结构目前研究较为广泛。最早由Bapanapalli[6]提出了一种波纹夹芯热防护结构,上下面板之间设计腹板结构用于承载,腹板空隙间填充隔热材料用于防隔热,从而实现结构防隔热与承载于一体,但此结构在腹板区域存在热短路效应,会造成结构在热短路区域无法实现有效的热防护。张栖诚[7]设计了一种腹板加筋壁板结构,将腹板设计成镂空结构,腹板间通过加筋壁板增加其承载能力,能够有效的解决此不足。吴大方[8]对一种防隔热/承载一体化结构进行了的高温下热冲击试验,验证了此种的多功能结构具有很好的承载和热防护性能。ZHANG[9]采用3D打印技术实现了防隔热/承载一体化结构的制造。在结构兼具防隔热与承载功能的基础上,热电技术的出现,进一步推进了多功能结构的发展,实现了气动热的再利用。热电技术目前主要有碱金属热电转换技术、热光伏技术和温差热电技术,这三种技术中,温差热电技术结构形式简单,应用成熟度较高,碱金属热电技术转换效率较高[10-12]。Roberts[13]提出了将热电器埋入防隔热/承载一体化结构中,从而实现热电转换、承载、防隔热多功能结构设计。李新春[14]进行了更加深入的研究,开展了结构热电转换、承载、防隔热多功能结构的力学分析、传热分析和热电转换分析。此外,还有许多新的多功能结构形式。Douglas[15]在防隔热/承载一体化结构内嵌入热管,验证了此多功能结构具有较好的热控功能。LIU[16]设计了集成电路控制、热管理功能和结构承载功能于一体的多功能,并进行了传热实验。李莺歌[17]设计了兼具结构、测控、电源、天线和热控功能的多功能结构,实现了结构轻质化、增加了空间利用率。将多功能结构应用于超声速导弹,能够有助于导弹高速飞行时更好的应对严酷的热力环境,提高结构效率,对导弹设计具有重要意义。本文设计了一种集承载、热防护、热电转换于一体的超声速导弹多功能结构,并建立计算仿真模型,对其进行了传热分析与力学分析。

2多功能结构设计

结构主要功能如图1所示,在进行超声速导弹多功能结构设计时,需要考虑以下几点要求:1)承载要求。超声速导弹在高速飞行时,会承受极大的气动载荷,可能造成弹体结构因强度不足而发生破坏。需要考虑气动载荷对导弹的影响,使所设计结构具有较好的承载能力。2)热防护要求。导弹超声速飞行时气动加热剧烈,会造成导弹舱体内部温度过高而引起内部元器件无法正常工作。热防护技术是决定结构设计成败的一个重要因素。3)热电转换要求。目前热电装置种类繁多,可应用于不同领域,需要选取合适的热电器件,使其在特定的结构形式中满足供电需求。4)一体化设计要求。将承载、热防护与热电转换功能集成一体,需要进行合理的结构设计,在实现多个功能的同时,保证各功能之间不产生冲突。超声速导弹由不同舱段组成,可以其中一个舱段为例进行设计,根据上述几点设计要求,多功能结构设计方案如图2所示,由外壁、隔热层、内壁和热电装置组成。外壁承受气动力与气动热载荷,可采用高温合金材料在抵抗高温的同时承受力载荷。隔热层由腹板和隔热材料组成:腹板用来承载,可采用高温合金;隔热材料用于防隔热,减缓热量向舱段的内部传递,且不需要承载。内壁可采用比热容较高的金属材料,从而吸收热量避免舱段内部结构温度过高。由于在腹板区域会发生热短路效应造成局部温度过高,热防护性能变差,因此将热电装置应用于此区域,进行热电转化,并将转换得到的电能供给周围安装的电器元件使用。其中考虑到热电装置的结构复杂程度、应用成熟度以及热电转换效率,可采用温差热电器进行热电转换,且此种类热电装置结构形式稳定,已经能够生产制造成不同的形状与尺寸,更易于在超声速导弹中实现应用。从而实现承载、热防护、热电转换的超声速导弹多功能结构设计。

3仿真结果分析

对超声速导弹多功能结构进行热分析,为了更好地对此多功能结构进行研究与对比,分别对没有热电装置和具有热电装置两种结构进行热分析,40s时刻的温度分布如图6所示。在结构无热电装置时,内壁温度沿舱段轴向均匀分布;沿舱段径向,在腹板区域内壁温度高,由腹板区域到两腹板中间区域内壁温度逐渐降低,从最高温度620°降到124°。正是由于热短路效应引腹板区域内壁温度高,且此局部高温区域会造成结构热防护性能变差,从而引起导弹内部设置无法正常工作。当热电技术应用于此多功能结构后,内壁温度沿舱段轴向仍均匀分布;沿舱段径向内壁最高温度仅为142℃,证明导弹采用多功能结构设计后,把热电装置安装在热短路区域。消除了此效应带来的不利影响,使结构的热防护性能得到提高。热电装置两端存在超过400℃的温度差,利于温差热电器的工作,热短路区域的高温可通过热电装置进行热电转化供给周围安装的电器元件使用,在结构热防护性能得到提高的同时,气动加热产生的热量也得到了再利用。结构由此实现热防护与热电转换功能。结构在实现热防护与热电转换功能的前提下,还需要具有较好的承载能力,才能保证导弹在超声速飞行时应对严酷的热力学环境,需要超声速导弹多功能结构进行强度分析。由于多功能结构进内壁、腹板与外壁需要承载,仅需对承载区域展开研究,其在40s时刻的von-Mises应力云图如图7所示。在腹板区域以及两腹板中间区域多功能结构应力较大,但是最大应力为431MPa,小于舱段承载材料强度极限590MPa,说明结构满足强度设计要求。由此证明了多功能结构还具有较好的承载能力,此设计方案可以实现结构承载、热防护与热电转换多种功能。

4结论

本文设计了一种集承载、热防护、热电转换于一体的超声速导弹多功能结构,并对此多功能结构进行了热-结构耦合仿真分析,得出以下结论:1)将超声速导弹舱段内、外壁之间设计隔热层,其中隔热层区域的腹板进行承载,在隔热层空隙填充隔热材料进行防隔热,在舱段内壁热短路区域安装热电装置,可实现导弹承载、热防护、热电转换多功能结构设计。2)将热电技术应用于多功能结构,可解决结构热短路效应,提高结构的热防护性能,并且实现热量的再利用,为舱段内元器件进行电能供给。3)多功能结构满足强度设计要求,具有较好的承载能力。

作者:徐世南 吴催生 单位:中国空空导弹研究院