方波纹板3上还可以设置有腹板镂空结构(如图3所示)，从而可以进行结构减重，并可以通过镂空大小、腹板角度、波纹板高度以及材料厚度来调整单层波纹板的结构刚度；还可通过两层波纹板结构刚度的调整，实现连接结构的对冷热结构不匹配的最佳柔顺性，与此同时不丧失应有的结构变形抗力；另外，由于上下两层波纹板的服役温度不同，因此可分别采用耐温性不同的结构材料，进行材料的优选，从而可以在提高结构效率的同时降低成本。
[0050]另外，在本发明的技术方案中，所述上方波纹板2与下方波纹板3连接处的螺栓孔可以根据该螺栓孔所在的位置设置成不同的形状。例如，较佳的，在发明的具体实施例中，所述上方波纹板2与下方波纹板3上设置有多个可供连接螺栓5穿过的螺栓孔，其中，位于所述上方波纹板2或下方波纹板3的中部的螺栓孔可以设置为圆形，而位于所述上方波纹板2或下方波纹板3两端的螺栓孔则可以依据热膨胀方向设置成长槽孔，从而可以允许上方波纹板2与下方波纹板3之间发生一定程度的相对滑移，以释放冷热结构的热失配效应。
[0051]另外，在本发明中的热防护装置中，所述隔热与承力协同螺栓连接结构中的连接螺栓5与被连接的波纹板之间均设置了隔热垫圈，而被连接的波纹板之间设置了隔热垫片隔离，各部分之间可以通过连接螺栓5与连接螺母9固定，从而可以有效地降低通过上述连接结构之间的热传输，阻断热表面经由连接结构向下传输的热流。
[0052]因此，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述连接螺栓5和连接螺母9可以由TiAl高温合金制备而成；而所述上方隔热垫圈6、中部隔热垫片7和下方隔热垫圈8均可以由立方稳定ZrO2制备而成。
[0053]此外，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述连接螺栓5为中空结构，从而可以有效地降低连接螺栓处的导热，并减轻整体结构的总重量。
[0054]另外，在本发明的技术方案中，根据结构材料的不同，热结构面板(即上面板I)、冷结构面板(即底面板4)与内部连接结构(即上方波纹板2和下方波纹板3)之间可采用多点焊接连接、树脂浸渍裂解、化学气相沉积、粘接等多种方式进行连接。
[0055]根据结构材料的不同，本发明中的热防护装置可以应用在常温?1800°C温度范围内的高超声速飞行器机身表面。
[0056]此外，在本发明的技术方案中，还可以以一个具体的较佳实施例为例，对上述热防护装置中的各个部件的具体制备方法进行详细的介绍:
[0057]例如，可以通过激光切割的方式先制备上面板1，其尺寸可以为300X300mm ;然后再通过激光切割制备底面板2，其尺寸为300 X 300mm ;再通过激光切割制备相应尺寸的Imm厚的GH4169高温合金波纹板板料，在所述波纹板板料上冲压出腹板镂空与螺栓孔，再经过弯折操作制备成上方波纹板2，上方波纹板2的结构尺寸为腹板角度60°，腹板高度40mm，腹板周期宽度150mm ;再通过激光切割制备相应尺寸的Imm厚的TiAl高温合金波纹板板料，在所述波纹板板料上冲压出腹板镂空与螺栓孔，再经过弯折操作制备成下方波纹板3，该下方波纹板3的结构尺寸为腹板角度60°，腹板高度40mm，腹板周期宽度150mm ;从氧化锆坯料中车制出内径6_、外径8_的隔热垫圈6与隔热垫圈8，从氧化锆坯料中车制出中部隔热垫7，该中部隔热垫7的尺寸为内径7mm，外径10mm，厚度5mm ;使用TiAl合金制备出中空螺栓5与螺母9，标称直径为6_。
[0058]另外，在本发明的技术方案中，上述的制备方法仅仅是本发明中的一种较佳实施方式，而并不是唯一的实施方式，本发明对于上述热防护装置中的各个部件的具体制备方法并不做限定。
[0059]此外，在本发明的技术方案中，上述热防护装置中的各零件的组装过程可以是:
[0060]将各个上方波纹板2与下方波纹板3设置成预设角度(例如，90° )，呈交错搭接状态，上方波纹板2与下方波纹板3之间采用中部隔热垫片7定位；然后再使用连接螺栓5、上方隔热垫圈6、下方隔热垫圈8、连接螺母9进行紧固连接；再使用工装夹持设备将上面板1、下面板4与上述内部连接结构进行夹持、规整，然后再利用激光焊接的方法，在上述内部连接结构与上面板1、下面板4的接触位置进行激光焊接，进而完成整个结构的连接；最后在上方波纹板2的空腔中填充隔热材料10，在下方波纹板3的空腔中填充隔热材料11，进而完成整个热防护装置的组装。
[0061]图4为本发明的具体实施例中背面温度响应与波纹连接方案对比图。如图4所示，本发明中的热防护装置的热力响应为:在典型的航天器再入载荷环境条件下，峰值气动热流45kW/m2、峰值气动压力lOOkPa。与相同材料体系、相同面板尺寸、不同连接结构的波纹板连接方案相比，本发明中的热防护装置的背面最高温度与升温速率较低，也即热短路效应低(如图4所示)。
[0062]图5(a)和(b)为本发明的具体实施例中结构应力分布与波纹连接方案对比图。图5(a)为本发明具体实施例方案；图5(b)为现有技术方案。如图5(a)和(b)所示，横坐标为结构中应力与材料强度的比例，该数值越低说明结构应力水平越低；纵坐标为模型中具有当前应力比例的单元数。本发明中的热防护装置应力与强度比例最大数值为0.48，波纹连接方案为1.51 ;且本发明中的热防护装置结构应力与强度比例绝大多数分布在0.2以下，波纹连接方案应力与强度比例在0.5以下，相比之下结构应力水平明显降低。本发明中的热防护装置中的应力分布更为均匀，最大应力值较小，也即热失配效应低。
[0063]综上可知，在本发明的热防护装置中，由于使用了上下两层波纹板，即上方波纹板层和下方波纹板层，从而能够连接上表面热结构与底部冷结构，并在两者之间传递分配载荷，且耐受高温至低温的大温度梯度。而且，由于本发明中的上方波纹板与下方波纹板是交错设置的，因此可以有效地提高热防护装置在面内两个方向上的结构抗力，避免单一方向波纹造成的某一方向抗弯曲性能差的问题；并且，还可以依据外部载荷情况，通过单层的结构刚度调整，实现最佳刚度设计。另外，由于本发明中的上方波纹板与下方波纹板上还可以设置有腹板镂空结构，从而可以进行结构减重，并可以通过镂空大小、腹板角度、波纹板高度以及材料厚度来调整单层波纹板的结构刚度；还可通过两层波纹板结构刚度的调整，实现连接结构的对冷热结构不匹配的最佳柔顺性，与此同时不丧失应有的结构变形抗力；另夕卜，由于上下两层波纹板的服役温度不同，因此可分别采用耐温性不同的结构材料，进行材料的优选，从而可以在提高结构效率的同时降低成本。另外，由于本发明中的隔热与承力协同螺栓连接结构中设置了隔热垫圈和隔热垫片，从而可以有效地降低通过上述连接结构之间的热传输，阻断热表面经由连接结构向下传输的热流，从而能够明显降低连接结构热短路效应，提高冷热结构热匹配性。
[0064]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
【主权项】
1.一种热防护装置，其特征在于，该装置包括:上面板、底面板、由多个上方波纹板按顺序排列而组成的上方波纹板层以及由多个下方波纹板按顺序排列而组成的下方波纹板层； 所述上方波纹板层设置在所述下方波纹板层的上方，且所述上方波纹板层与所述下方波纹板层交错设置； 所述下方波纹板的下端与所述底面板连接；所述上方波纹板的上端与所述上面板连接；所述上方波纹板的下端与所述下方波纹板的上端通过隔热与承力协同螺栓连接结构连接; 所述隔热与承力协同螺栓连接结构包括:连接螺栓、设置在所述连接螺栓与所述上方波纹板之间的上方隔热垫圈、设置在所述上方波纹板的下端与所述下方波纹板的上端之间的中部隔热垫片、设置在所述连接螺栓与所述下方波纹板之间的下方隔热垫圈、连接螺母; 所述上面板与所述上方波纹板的下端之间的空隙中填充有耐高温隔热材料；所述底面板与所述下方波纹板的上端之间的空隙中填充有耐中温隔热材料。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述上方波纹板与下方波纹板之间的角度为预设的角度。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于: 所述预设的角度为90°。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述上方波纹板与下方波纹板上设置有腹板镂空结构。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述上方波纹板与下方波纹板上设置有多个可供连接螺栓穿过的螺栓孔； 其中，位于所述上方波纹板或下方波纹板的中部的螺栓孔为圆形；位于所述上方波纹板或下方波纹板两端的螺栓孔依据热膨胀方向设置成长槽孔。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述连接螺栓为中空结构。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述耐高温隔热材料由耐高温ZrO2S Al 203纤维隔热毡制成； 所述耐中温隔热材料由S12纳米气凝胶制成。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述上面板由2mm厚的GH4169高温合金板制备而成； 所述底面板由3mm厚的Al合金板制备而成。9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述上方波纹板由Imm厚的GH4169高温合金板制备而成； 所述下方波纹板由Imm厚的TiAl高温合金板制备而成。10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述连接螺栓和连接螺母由TiAl高温合金制备而成； 所述上方隔热垫圈、中部隔热垫片和下方隔热垫圈均由立方稳定ZrO2制备而成。
【专利摘要】本发明公开了一种热防护装置，包括：上面板、底面板、由多个上方波纹板按顺序排列而组成的上方波纹板层以及由多个下方波纹板按顺序排列而组成的下方波纹板层；上方波纹板层设置在下方波纹板层的上方，且上方波纹板层与下方波纹板层交错设置；上方波纹板的下端与下方波纹板的上端通过隔热与承力协同螺栓连接结构连接；隔热与承力协同螺栓连接结构包括：连接螺栓、上方隔热垫圈、中部隔热垫片、下方隔热垫圈、连接螺母；上面板与上方波纹板的下端之间的空隙中填充有耐高温隔热材料；底面板与下方波纹板的上端之间的空隙中填充有耐中温隔热材料。通过使用本发明中的热防护装置，可以解决热防护装置中的连接结构热短路与冷热结构热失配的问题。
【IPC分类】B64C1/40, B64C1/38
【公开号】CN105083528
【申请号】CN201510563294
【发明人】解维华, 杨强, 孟松鹤, 金华, 易法军
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年9月7日