[发明专利]月面起飞上升器热防护装置及其隔热性能计算方法

说明书

本发明提供一种月面起飞上升器热防护装置及其隔热性能计算方法，能够实现月面起飞上升器精细化热防护。该月面起飞上升器热防护装置包括：耐高温覆盖层以及依次间隔层叠的辐射屏和间隔层；两层以上辐射屏和两层以上间隔层依次间隔层叠形成多层芯；采用该热防护装置能够实现月面起飞上升器精细化热防护。在隔热性能计算方法中提出了层间接触换热系数、层间对流换热系数和覆盖层吸收的羽流热流密度的热适应系数均按照温度和时间进行动态响应，解决了将羽流的热流密度简单的作为恒定的参数附加到模型中造成的羽流过大，产品过设计的问题。

技术领域

本发明涉及一种热防护装置，具体涉及一种月面起飞上升器热防护装置及隔热性能计算方法，属于航天器热控技术领域。

背景技术

嫦娥五号着陆上升组合体着陆月球，完成一系列探测任务后，上升器携带月壤样品月面起飞。月面起飞时使用大推力发动机，为月面起飞进入轨道提供动力。上升器底部通过支撑结构与下部的着陆器连接。在起飞时，两器(上升器和着陆器)间的发动机点火，产生推力将上升器逐渐推离下部着陆器。此时在两器间的受限空间中，在复杂的器外表面上产生瞬时变化的极大羽流力热效应，羽流热流密度往往在0～2s内从990kW/m²降低到0kW/m²，着陆器表面压力从600Pa降低到0Pa，出现短期990kW/m²的羽流和发动机壁面1350℃高温辐射的耦合作用。上升器底面发动机附近表面需要设计热防护装置来隔绝恶劣的热环境。

以往航天器中，发动机点火时处于开敞状态，其对周围环境造成的羽流往往在一定点火时间(0～900s)内较为稳定，数值一般小于10～400kW/m²。传统的热防护装置一般位于“外凸”开敞表面，其组成一般包括耐高温覆盖层、高温多层、中温多层和低温多层，其耐高温覆盖层一般使用50μm不锈钢箔(牌号为1Cr18Ni9Ti)，高温多层采用镍箔或铝箔和玻璃纤维布，中温多层采用双面镀铝聚酰亚胺薄膜和玻璃纤维布，不同热环境的区域使用不同组合的热防护单元分块搭接组成。

此外，传统热防护装置在隔热性能计算时往往将羽流单一简化为表面热源直接施加到多层覆盖层面膜上一定时间，忽略羽流引起的多层内部对流增大，且忽略羽流压力造成多层表面受压使得层间接触换热系数增大，地面试验往往也难以模拟此效应。

上述传统多层隔热组件及其隔热性能计算方法不适用于月面起飞上升受限空间内发动机点火的瞬态热防护，其不足之处主要在于：

(1)月面起飞热防护装置表面空间形状不规则，特别是球面和内凹的不规则表面，其制作和安装难度较大，使用不锈钢箔会造成局部位置的表面难以实施，且需要在外侧绑扎钢丝进行固定。

(2)月面起飞上升器重量资源极为苛刻，传统的多层热防护装置根据不同区域的辐射和羽流综合热流密度梯度变化分区，制作不同形状热防护单元搭接成最终需要的热防护外罩，不同热防护单元间需要通过螺钉、销钉、粘接硅橡胶、外部钢丝固定等方式加强接缝固定，外凸的位置搭接重量大，搭接位置仍易形成较大缝隙，在羽流冲击时搭接在上部的多层内表面易被烧蚀产生可凝挥发物，并影响其隔热性能。

(3)月面点火起飞的受限空间瞬态大羽流条件未经历过。传统多层隔热组件隔热性能计算时，羽流的热流密度作为恒定的热耗直接施加到多层表面，计算时未考虑材料表面在不同温度条件下的热适应系数的影响，造成多层覆盖层羽流总吸收能量较大，热防护装置的重量将大幅增加，从而占用整个航天器的重量资源。

(4)传统多层隔热组件设计时，未考虑羽流压力效应对多层隔热组件隔热性能的影响。羽流一方面对多层表面产生压力，造成层间导热系数增加；另一方面，高温燃气可通过表面进入多层内部，造成多层内部对流导热增强。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种月面起飞上升器热防护装置，能够实现月面起飞上升器精细化热防护。