本發(fā)明涉及飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體地，涉及一種適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，臨近空間這一空域逐漸成為各個(gè)國(guó)家的探索新目標(biāo)。為完成臨近空間乃至軌道空間的運(yùn)載任務(wù)，降低起飛要求和成本，適用于臨近空間飛行的水平起降、可重復(fù)使用的寬域飛行器成為了21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)。從飛行環(huán)境和任務(wù)目標(biāo)可知，該類飛行器需要具有飛行速度從亞聲速到高聲速范圍，飛行高度從海平面到臨近空間的寬速域、大空域飛行全包線的適應(yīng)性。在服役過程中，寬域飛行器面臨十分苛刻的力-熱環(huán)境，對(duì)于寬域飛行器的結(jié)構(gòu)在具備良好的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時(shí)，還應(yīng)具有優(yōu)異的防隔熱性能。隨著新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展，防熱承載一體化技術(shù)為寬域飛行器在超高聲速飛行時(shí)應(yīng)對(duì)嚴(yán)酷環(huán)境提供了新的發(fā)展思路。防熱承載一體化技術(shù)是熱防護(hù)系統(tǒng)在完成防隔熱功能的前提下，可同時(shí)承受其他飛行載荷，比如氣動(dòng)載荷、振動(dòng)載荷等。目前，輕質(zhì)防熱承載一體化多層復(fù)合材料已經(jīng)在各類高速飛行器中得到應(yīng)用。

2、現(xiàn)有公開號(hào)為cn113148108a的中國(guó)專利申請(qǐng)了一種雙層波紋夾芯防隔熱/承載一體化熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，該發(fā)明中所述雙層波紋夾芯結(jié)構(gòu)包括相互平行的上面板和下面板、結(jié)構(gòu)相同的上層波紋夾芯結(jié)構(gòu)和下層波紋夾芯結(jié)構(gòu)、以及將兩層波紋夾芯結(jié)構(gòu)連接的中間隔板，所述上層波紋夾芯結(jié)構(gòu)和下層波紋夾芯結(jié)構(gòu)均包括承載結(jié)構(gòu)和隔熱層，所述承載結(jié)構(gòu)由多塊中心軸線相互平行的腹板間隔形成多個(gè)隔熱空腔，相鄰腹板的首尾依次通過連接板相互連接使得所有腹板連接為一整體，所述隔熱空腔內(nèi)填充有隔熱材料形成隔熱層。該方法設(shè)置了雙層波紋夾芯替代普通單層波紋板，能有效改善熱短路效應(yīng)，但是設(shè)置雙層結(jié)構(gòu)直接提高了產(chǎn)品的重量，并且更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)給產(chǎn)品的成型制造也帶來了困難。

3、現(xiàn)有公開號(hào)為cn116215018a的中國(guó)專利申請(qǐng)了一種多梯度防熱承載一體化復(fù)合材料，由上面板、橋型腹板、夾芯隔熱材料及下面板組成,所述橋型腹板上平面通過二次膠接工藝與上面板相連，橋型腹板底腳平面通過膠接共固化工藝垂直與下面板相連；橋型腹板為多梯度復(fù)合橋梁結(jié)構(gòu)，由耐燒蝕結(jié)構(gòu)層、隔熱結(jié)構(gòu)層和承載結(jié)構(gòu)層采用預(yù)浸料從上至下鋪貼成預(yù)成型體，耐燒蝕結(jié)構(gòu)層和隔熱結(jié)構(gòu)層從頂部至底部呈漸變遞減結(jié)構(gòu)分布，耐燒蝕結(jié)構(gòu)層的底部末端鋪貼在隔熱結(jié)構(gòu)層上，隔熱結(jié)構(gòu)層的底部末端鋪貼在承載結(jié)構(gòu)層上，承載結(jié)構(gòu)層的末端呈90°與下面板接觸相連。該結(jié)構(gòu)材料輕質(zhì)、承載和隔熱性能較好，但是該結(jié)構(gòu)制造過程復(fù)雜，不易于工程化，并且結(jié)構(gòu)厚度太厚，制作飛行器艙體時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部空間狹小，不利于飛行器艙體內(nèi)部設(shè)備的安排布置。

4、所以需要一種厚度小、輕質(zhì)、防隔熱、承載一體化的飛行器艙體結(jié)構(gòu)，以滿足寬域飛行器總體性能指標(biāo)的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)。

2、根據(jù)本發(fā)明提供的一種適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu),艙體包括由內(nèi)至外依次通過粘結(jié)層緊固連接的：承載層、隔熱層以及防沖刷燒蝕層，所述艙體兩端均設(shè)置有用于連接的端框，所述承載層用于承受機(jī)械載荷，所述防沖刷燒蝕層用于防止高溫氣動(dòng)熱流的沖刷和燒蝕，所述隔熱層用于阻止所述防沖刷燒蝕層的熱流傳入所述承載層。

3、優(yōu)選地，所述承載層包括鈦合金蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層和蒙皮層，兩層所述蒙皮層分別設(shè)置在所述鈦合金蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層的兩側(cè)。

4、優(yōu)選地，所述鈦合金蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層包括基于零泊松比的輕質(zhì)蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，所述零泊松比輕質(zhì)蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的蜂窩胞元包括外凸和內(nèi)凹，所述外凸和所述內(nèi)凹相互變形互補(bǔ)。

5、優(yōu)選地，所述鈦合金蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層和所述蒙皮層采用增材制造技術(shù)整體制造成型。

6、優(yōu)選地，所述隔熱層包括氣凝膠。

7、優(yōu)選地，所述氣凝膠包括二氧化硅氣凝膠。

8、優(yōu)選地，所述二氧化硅氣凝膠的制作方法包括：由硅前驅(qū)體、醇溶劑和水混合和攪拌后獲得硅溶膠，再將所述硅溶膠浸入纖維氈復(fù)合后獲得纖維和硅溶膠的復(fù)合材料凝膠，最后將所述復(fù)合材料凝膠進(jìn)行干燥處理獲得所述二氧化硅氣凝膠。

9、優(yōu)選地，所述防沖刷燒蝕層采用碳化硅陶瓷材料。

10、優(yōu)選地，所述端框采用鈦合金材料。

11、優(yōu)選地，所述端框、所述鈦合金蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層及所述蒙皮層采用增材制造技術(shù)整體制造成型。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

13、1、本發(fā)明通過采用分層結(jié)構(gòu)，最后組裝成型，模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)的目標(biāo)；艙體壁厚小，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)為內(nèi)部設(shè)備提供更好的安裝空間。

14、2、本發(fā)明通過零泊松比的蜂窩承載結(jié)構(gòu)在受熱條件下不會(huì)發(fā)生熱膨脹，與隔熱材料之間熱匹配性能優(yōu)良，層間連接牢固，不會(huì)發(fā)生脫粘故障，安全性高。

15、3、本發(fā)明通過采用防隔熱承載一體化結(jié)構(gòu)，能同時(shí)承受外部的氣動(dòng)載荷、機(jī)械振動(dòng)載荷、氣動(dòng)加熱載荷和熱氣流沖刷載荷，確保飛行器的氣動(dòng)外形不發(fā)生改變，達(dá)到維形的目的。

技術(shù)特征：

1.一種適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，其特征在于，艙體包括由內(nèi)至外依次通過粘結(jié)層(4)緊固連接的：承載層(1)、隔熱層(2)以及防沖刷燒蝕層(3)，所述艙體兩端均設(shè)置有用于連接的端框(5)，所述承載層(1)用于承受機(jī)械載荷，所述防沖刷燒蝕層(3)用于防止高溫氣動(dòng)熱流的沖刷和燒蝕，所述隔熱層(2)用于阻止所述防沖刷燒蝕層(3)的熱流傳入所述承載層(1)。

2.如權(quán)利要求1所述的適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述承載層(1)包括鈦合金蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層(6)和蒙皮層(7)，兩層所述蒙皮層(7)分別設(shè)置在所述鈦合金蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層(6)的兩側(cè)。

3.如權(quán)利要求2所述的適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述鈦合金蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層(6)包括基于零泊松比的輕質(zhì)蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，所述零泊松比輕質(zhì)蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的蜂窩胞元包括外凸(8)和內(nèi)凹(9)，所述外凸(8)和所述內(nèi)凹(9)相互變形互補(bǔ)。

4.如權(quán)利要求2所述的適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述鈦合金蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層(6)和所述蒙皮層(7)采用增材制造技術(shù)整體制造成型。

5.如權(quán)利要求1所述的適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述隔熱層(2)包括氣凝膠。

6.如權(quán)利要求5所述的適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述氣凝膠包括二氧化硅氣凝膠。

7.如權(quán)利要求6所述的適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述二氧化硅氣凝膠的制作方法包括：由硅前驅(qū)體、醇溶劑和水混合和攪拌后獲得硅溶膠，再將所述硅溶膠浸入纖維氈復(fù)合后獲得纖維和硅溶膠的復(fù)合材料凝膠，最后將所述復(fù)合材料凝膠進(jìn)行干燥處理獲得所述二氧化硅氣凝膠。

8.如權(quán)利要求1所述的適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述防沖刷燒蝕層(3)采用碳化硅陶瓷材料。

9.如權(quán)利要求1所述的適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述端框(5)采用鈦合金材料。

10.如權(quán)利要求2所述的適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述端框(5)、所述鈦合金蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)層(6)及所述蒙皮層(7)采用增材制造技術(shù)整體制造成型。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種適用于寬域飛行器的防隔熱承載一體化艙體結(jié)構(gòu)，艙體包括由內(nèi)至外依次通過粘結(jié)層緊固連接的：承載層、隔熱層以及防沖刷燒蝕層，所述艙體兩端均設(shè)置有用于連接的端框，所述承載層用于承受機(jī)械載荷，所述防沖刷燒蝕層用于防止高溫氣動(dòng)熱流的沖刷和燒蝕，所述隔熱層用于阻止所述防沖刷燒蝕層的熱流傳入所述承載層。本發(fā)明艙體壁厚小，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)為內(nèi)部設(shè)備提供更好的安裝空間；零泊松比的蜂窩承載結(jié)構(gòu)在受熱條件下不會(huì)發(fā)生熱膨脹，與隔熱材料之間熱匹配性能優(yōu)良，層間連接牢固，安全性高；防隔熱承載一體化結(jié)構(gòu)能同時(shí)承受外部的多種載荷，確保飛行器的氣動(dòng)外形不發(fā)生改變，達(dá)到維形的目的。

技術(shù)研發(fā)人員：劉廣,王標(biāo),徐鄂嚴(yán),洪君,楊海洋,陳俊銘,岳巖松,華洲,許斌,畢鵬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海機(jī)電工程研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21