一种适用于耐高温可拆卸防热塞结构的制作方法

本发明涉及一种适用于耐高温可拆卸防热塞结构，特别是用于飞行器高温区域，具备可重复拆卸的热防护设计方案。

背景技术：

高超声速飞行器项目所研制的飞行器热环境具有“焓值高、时间长、总热载大”等特点。热防护系统覆盖整个飞行器的外表面，需要具备两项基本功能：一方面是防热，通过选取合适的材料体系，飞行器的外表面在能够抵抗高温的侵袭的同时，具有非烧蚀和重复使用性；另一方面是隔热，通过合理的热防护结构设计，阻止较多的热量进入冷结构，保障飞行器的各个部位能够在适宜的温度条件下工作。为了满足高超声速飞行器热防护系统的性能和轻质化设计要求，同时兼顾目前国内的材料水平，必须通过合理的设计，得到满足设计要求的方案。

高超声速飞行器再入过程中高热流区域结构外表面温度达到上千度以上，一般的常规材料难以承受，需要寻求耐高温的防隔热材料。考虑满足功能需求，在可重复拆卸区域，如果选用单一的防热材料，存在密度大、热导率高，隔热性能差的特点；选用单一的隔热材料，存在承载能力差、抗高温能力限制的特点。因此，需要开展防隔热承载一体化方案设计。目前，较理想的可重复拆卸热防护设计方案是采用多层结构的热防护方案，外层采用抗高温、承载能力强的材料，中间层为具备隔热承载能力的材料，内部采用隔热性能好的材料，各个组件之间通过胶粘和机械连接形成一个整体。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：本发明一种适用于耐高温可拆卸防热塞结构，满足高超声速飞行器飞行过程中防隔热以及返回后的可重复拆卸设计要求。具备长时间耐1500度以上高温环境，具有良好的隔热效果，保证飞行器内部结构满足使用要求。具有快速可重复拆卸功能，保证冷结构能够快速开启，满足舱内设备的维修和检测性能要求。

本发明所采用的技术方案是：一种适用于耐高温可拆卸防热塞结构，包括刚性隔热材料、柔性缓冲层、冷结构金属材料、耐高温防热材料、隔热承载材料、隔热材料、耐高温螺钉和耐中温螺钉；

刚性隔热材料、柔性缓冲层、冷结构金属材料从上到下通过耐高温胶粘接方式依次相连；隔热承载材料与刚性隔热材料通过耐高温胶粘接方式相连；耐高温防热材料和隔热承载材料通过耐高温螺钉机械连接；耐高温防热材料与隔热材料通过耐高温胶粘接方式相连；飞行器返回后将耐高温螺钉拧下，取出耐高温防热材料和隔热材料的组合件，留出耐中温螺钉拆卸通道，实现耐中温螺钉与内部结构的可拆卸功能。

所述刚性隔热材料、耐高温防热材料和耐高温螺钉耐受温度≥1500℃；保证内部冷结构金属和耐中温螺钉温度≤120℃。

所述刚性隔热材料材料为陶瓷瓦；所述柔性缓冲层材料为芳纶纤维；所述冷结构金属材料材料铝合金；所述耐高温防热材料材料为cc复合材料或csic复合材料；所述隔热承载材料材料为石英石英复合材料；所述隔热材料材料为陶瓷瓦；所述耐高温螺钉材料为cc复合材料或csic复合材料；所述耐中温螺钉材料为铝合金。

在刚性隔热材料中心位置上开设用于与隔热承载材料相连接的圆形台阶孔。

在柔性缓冲层中心位置上开设通孔用于预留拆卸耐中温螺钉的通道。

在冷结构金属材料中心位置上开设通孔用于将预耐中温螺钉与外部承载结构连接。

刚性隔热材料形状为方形，柔性缓冲层形状为方形，冷结构金属材料形状为方形。

刚性隔热材料厚度为20～40mm，柔性缓冲层厚度为2～4mm，冷结构金属材料厚度为2～4mm。

在耐高温防热材料上开设沉头孔，同时在隔热承载材料上开设粗牙螺纹孔，通过耐高温螺钉将耐高温防热材料和隔热承载材料连接。

耐高温防热材料形状为圆形，厚度为2～4mm，半径为20～25mm。

所述沉头孔、粗牙螺纹孔数量为2～4个，均匀排布。

在隔热承载材料中间开设通孔，将隔热材料的一端与耐高温防热材料通过高温胶粘接方式相连，另一端塞入隔热承载材料的通孔内。

隔热承载材料中间开设通孔为圆形孔，半径为6～8mm；隔热材料为圆柱型，半径为5～7mm。

在耐高温防热材料与刚性隔热材料外表面涂覆高辐射率抗氧化涂层。

一种飞行器的热防护结构，采用所述的耐高温可拆卸防热塞结构。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明设计的一种适用于耐高温可拆卸防热塞结构，采用防热、隔热、承载的多层结构设计思路，包括依次连接的耐高温防热材料、隔热承载材料、隔热材料、耐高温螺钉，既解决耐受外部1500度以上的高温环境，又能阻止过多热量进入飞行器内部，保证冷结构温度低于120度，同时具备可重复拆卸功能，保证飞行器舱内设备的可检测和维修性。

(2)本发明通过对多层结构中各个功能层材料的合理选取和各个功能层尺寸的优化设计，使得热防护结构具有优异的热防护性能，保证热防护材料在高温环境条件下均能满足耐高温使用要求，且具备非烧蚀和可重复性拆卸使用。

(3)本发明热防护结构设计时，选用多层结构设计方案，既能够充分发挥不同材料的使用特性，又可以有效的减少结构重量，达到减重的目的。

(4)本发明在热防护结构设计时，选用内外螺钉和连接件方式相连，将防热塞热防护结构牢固连接为一个整体，同时可以减少高热导率材料的传热截面，有效地避免了热短路的影响。

(5)本发明在热防护组件与冷结构之间填充柔性缓冲层，在使用过程中能够有效减少不同材料之间的热匹配性，防止在装配和使用过程中由于刚度不匹配致使应力过大发生结构破坏。

(6)本发明采用可重复拆卸防热塞结构设计方案，能够满足飞行器的防热、隔热、承载及可重复拆卸等多功能设计需求。

(7)本发明的可重复拆卸防热塞设计方案能够满足长时间、耐高温、非烧蚀、防隔热以及承载要求，设计方案整体性好，连接可靠。

附图说明

图1为耐高温可拆卸防热塞结构设计方案；

图2为耐高温可拆卸防热塞方案分解图；

图3(a)～(d)为耐高温可拆卸防热塞详细设计方案和连接方式；

图4为冷结构可拆卸通道俯视图；

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示为本发明具备耐高温可拆卸防热塞结构示意图，根据高超声速飞行器高温区域的特点，满足防热、隔热、承载和可重复拆卸的设计要求，选用不同材料体系的多层组合式设计方案。可知本发明热防护多层结构包括依次连接的刚性隔热材料1、柔性缓冲层2、冷结构金属材料3、耐高温防热材料4、隔热承载材料5、隔热材料6、耐高温螺钉7和耐中温螺钉8。其中刚性隔热材料1、柔性缓冲层2和冷结构金属材料3从上到下通过耐高温胶粘接方式依次相连；隔热承载材料5与刚性隔热材料1通过耐高温胶粘接方式相连；耐高温防热材料4和隔热承载材料5通过耐高温螺钉7机械连接；耐高温防热材料4与隔热材料6通过耐高温胶粘接方式相连；飞行器返回后将耐高温螺钉7拧下，取出耐高温防热材料4和隔热材料6的组合件，留出耐中温螺钉8拆卸通道，实现耐中温螺钉8与内部结构的可拆卸功能。

具体的，本发明实施例中，所述刚性隔热材料1，材料为陶瓷瓦；所述柔性缓冲层2，材料为芳纶纤维；所述冷结构金属材料3，材料铝合金；所述耐高温防热材料4，材料为cc复合材料或csic复合材料；所述隔热承载材料5，材料为石英石英复合材料；所述隔热材料6，材料为陶瓷瓦；所述耐高温螺钉7，材料为cc复合材料或csic复合材料；所述耐中温螺钉8，材料为铝合金。

如图2所示为本发明耐高温可拆卸防热塞结构分解图，在耐高温防热材料4和隔热承载材料5中间开设螺纹孔与耐高温螺钉7实现机械连接。在刚性隔热材料1开设台阶孔与隔热承载材料5。在柔性缓冲层2开设通孔用于预留拆卸耐中温螺钉8的通道。在冷结构金属材料3开设通孔用于预耐中温螺钉8与内部承载结构连接。在耐高温防热材料上开设3个沉头孔、在隔热承载材料5上开设粗牙螺纹孔,用于与耐高温螺钉7连接。

具体的，在本发明实施例中，刚性隔热材料1形状为方形，柔性缓冲层2形状为方形，冷结构金属材料3形状为方形；刚性隔热材料1厚度为20～40mm，柔性缓冲层2厚度为2～4mm，冷结构金属材料3厚度为2～4mm；耐高温防热材料4形状为圆形，厚度为2～4mm，半径为20～25mm；耐高温防热材料4上开设的沉头孔数量为2～4个，均匀排布；隔热承载材料5上开设的粗牙螺纹孔数量为2～4个，均匀排布；隔热承载材料(5)中间开设通孔为圆形孔，半径为6～8mm；隔热材料(6)为圆柱型，半径为5～7mm。

如图3所示为本发明耐高温可拆卸防热塞详细设计方案和连接方式，图3(a)中刚性隔热材料1、柔性缓冲层2、冷结构金属材料3通过选用耐高温胶粘接方式相连；图3(b)隔热承载材料5与刚性隔热材料1通过选用耐高温胶粘接方式相连；图3(c)耐高温防热材料4和隔热承载材料5通过耐高温螺钉7机械连接。图3(d)耐高温防热材料4与隔热材料6通过高温胶粘接方式相连；在耐高温防热材料4与刚性隔热材料1外表面涂覆高辐射率涂层，增加热量辐射。

具体的，本发明实施例中，外部刚性隔热材料1、耐高温防热材料4和耐高温螺钉7耐受温度≥1500℃；保证内部冷结构金属3和耐中温螺钉8温度≤120℃

如图4所示，飞行器返回后将耐高温螺钉7拧下，取出耐高温防热材料4和耐高温防热材料4组合件，留出耐中温螺钉8拆卸通道，实现耐中温螺钉8与内部结构的拆卸功能。

本发明为耐高温可拆卸防热塞热防护结构，采用多层热防护结构设计方案，既能满足外部的耐受高温环境，又可以阻止过多的热量传递到冷结构，同时能够具备可重复快速拆卸功能。详细设计方案如下：

(1)可重复拆卸防热塞结构选用多层结构设计方案，外层为长时间耐受1000度以上高温的防热材料，中间层为具备隔热承载能力的复合材料，内部为热导率低的多孔陶瓷隔热材料。

(2)外部防热面板和中间层隔热承载材料之间通过机械连接方式相连。在外部面板上开设钉孔，中间层隔热承载材料上开设螺纹孔，通过耐高温的连接件相连。

(3)在外部面板与内部隔热层，中间层隔热承载材料与周围刚性材料之间，通过高温胶粘接方式相连。

(4)热防护设计方案中零件的连接分为粘接和机械连接两种，粘接选用耐高温的硅胶粘接，机械连接选用非金属螺钉和开设螺纹孔连接件实现组件之间的连接。

(5)在外部耐高温防热面板带有超高温高辐射抗氧化涂层，保证结构抗氧化非烧蚀性能。

(6)在防热塞周围刚性隔热材料与冷结构之间通过填加柔性缓冲层缓解装配、受热载荷和力载荷过程中由于变形带来的不匹配性。

(7)机械连接包括外连接螺钉和带螺纹连接件，其中外连接螺钉选用耐高温非金属材料，连接件为隔热承载材料。

实施例1

如图1所示，本发明根据高超声速飞行器高温区域的特点，满足防热、隔热、承载和可重复拆卸的设计要求，选用不同材料体系的多层组合式设计方案。多层结构主要包括刚性隔热材料1、柔性缓冲层2、冷结构金属材料3、耐高温防热材料4、隔热承载材料5、隔热材料6、耐高温螺钉7和耐中温螺钉8。

如图2所示，在耐高温防热材料4和隔热承载材料5中间开设3个螺纹孔与耐高温螺钉7实现机械连接。在刚性隔热材料1开设台阶孔与隔热承载材料5。在柔性缓冲层2开设通孔用于预留拆卸耐中温螺钉8的通道。在冷结构金属材料3开设通孔用于预耐中温螺钉8与内部承载结构连接。在耐高温防热材料上开设3个沉头孔、在隔热承载材料5上开设粗牙螺纹孔3个,用于与耐高温螺钉7连接。

如图3所示，图3(a)为刚性隔热材料1、柔性缓冲层2、冷结构金属材料3通过选用高温胶粘接方式相连。图3(b)为隔热承载材料5与刚性隔热材料1通过选用高温胶粘接方式相连。图3(c)为耐高温防热材料4和隔热承载材料5通过耐高温螺钉7机械连接。图3(d)为耐高温防热材料4与隔热材料6通过高温胶粘接方式相连。在耐高温防热材料4与刚性隔热材料1外表面涂覆高辐射率涂层，增加热量辐射。

如图4所示，飞行器返回后将耐高温螺钉7拧下，取出耐高温防热材料4和耐高温防热材料4组合件，留出耐中温螺钉8拆卸通道，实现耐中温螺钉8与内部结构的拆卸功能。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。