一种热防护装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高超声速飞行器技术热防护技术领域，特别涉及一种热防护装置。
【背景技术】
[0002]热防护系统是位于高超声速飞行器机身外部，用于防止机身及内部结构温度不超过所能承受的温度极限，形成保护性外层且承受一定载荷的一种结构系统。热防护系统是保证高超声速飞行器的飞行安全的关键子系统，也是实现机身减重的关键系统。
[0003]在现有技术中，热防护系统一般采用传统的隔热瓦、隔热毡热防护等装置。传统的热防护装置虽然重量轻，但其力学性能较弱，而且粘接连接的维护性差。另外，美国针对X-33等飞行器而研究发展的金属基热防护系统，以及欧洲为Pre-x项目研究发展的陶瓷基复合材料盖板热防护，是采用面板包覆隔热材料，再通过连接支架与机身相连。然而，上述热防护系统一般都只承担气动力载荷，因此限制了现有技术中的热防护系统结构效率的进一步提升。
[0004]随着新型高超声速飞行器的发展，对飞行器的结构效率要求也越来越高，因此提出了防隔热与承力一体化的热防护概念。这种热防护装置在完成防隔热功能的同时，能够通过机身与热防护面板之间、面板与面板之间传递、分配载荷，进而降低机身结构重量。
[0005]上述一体化热防护装置与传统热防护装置的区别在于，一体化热防护装置的典型结构特征是采用连接结构(例如，腹板)来连接分别处于高温和低温下的上面板与下面板。然而，该连接结构一方面需要支撑上面板，对上面板的变形形成约束；另一方面该连接结构的变形还受到上面板与下面板控制，需要在冷热结构之间协调结构变形，传递并分配相应的结构载荷。因此，在典型的一体化热防护系统中，所使用的连接结构(例如，波纹连接结构)都存在着热失配明显、交错连接结构存在热短路等明显的问题，从而也限制了热防护装置的结构效率的进一步提升。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供一种热防护装置，从而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。
[0007]本发明的技术方案具体是这样实现的:
[0008]—种热防护装置，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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]较佳的，所述上方波纹板与下方波纹板之间的角度为预设的角度。
[0014]较佳的，所述预设的角度为90°。
[0015]较佳的，所述上方波纹板与下方波纹板上设置有腹板镂空结构。
[0016]较佳的，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；
[0017]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。
[0018]较佳的，所述连接螺栓为中空结构。
[0019]较佳的，所述耐高温隔热材料由耐高温ZrO2S Al 203纤维隔热毡制成；
[0020]所述耐中温隔热材料由S12纳米气凝胶制成。
[0021]较佳的，所述上面板由2mm厚的GH4169高温合金板制备而成；
[0022]所述底面板由3mm厚的Al合金板制备而成。
[0023]较佳的，所述上方波纹板由Imm厚的GH4169高温合金板制备而成；
[0024]所述下方波纹板由Imm厚的TiAl高温合金板制备而成。
[0025]较佳的，所述连接螺栓和连接螺母由TiAl高温合金制备而成；
[0026]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。
[0027]如上可见，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。此外，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。此外，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。
【附图说明】
[0028]图1为本发明实施例中的热防护装置的结构示意图。
[0029]图2为本发明实施例中的隔热与承力协同螺栓连接结构的结构示意图。
[0030]图3为本发明的具体实施例中的下方波纹板的结构示意图。
[0031]图4为本发明的具体实施例与现有技术背面温度响应与波纹连接方案对比图。
[0032]图5(a)和图5(b)为本发明的具体实施例与现有技术结构应力分布与波纹连接方案对比图。
[0033]图中的编号对应关系:
[0034]1-上面板(热结构面板)；2_上方波纹板；3_下方波纹板；4_底面板(冷结构面板)；5_连接螺栓；6-上方隔热垫圈；7-中部隔热垫片；8-下方隔热垫圈；9_连接螺母；10-耐高温隔热材料；11_耐中温隔热材料。
【具体实施方式】
[0035]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
[0036]图1为本发明实施例中的热防护装置的结构示意图。图2为本发明实施例中的隔热与承力协同螺栓连接结构的结构示意图。如图1和图2所示，本发明实施例中的热防护装置包括:上面板1、底面板4、由多个上方波纹板2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3按顺序排列而组成的下方波纹板层；
[0037]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；
[0038]所述下方波纹板3的下端与所述底面板4连接；所述上方波纹板2的上端与所述上面板I连接；所述上方波纹板2的下端与所述下方波纹板3的上端通过隔热与承力协同螺栓连接结构连接；
[0039]所述隔热与承力协同螺栓连接结构包括:连接螺栓5、设置在所述连接螺栓5与所述上方波纹板2之间的上方隔热垫圈6、设置在所述上方波纹板2的下端与所述下方波纹板3的上端之间的中部隔热垫片7、设置在所述连接螺栓5与所述下方波纹板3之间的下方隔热垫圈8、连接螺母9 ；
[0040]所述上面板I与所述上方波纹板2的下端之间的空隙中填充有耐高温隔热材料10 ;所述底面板4与所述下方波纹板3的上端之间的空隙中填充有耐中温隔热材料11。
[0041]根据上述的结构可知，本发明中的热防护装置是一种由四部分材料组成的夹芯结构，所述四部分材料包括:表面防热材料热结构面板(即上面板I)、底部冷结构面板(即底面板4)、内部连接结构(即上方波纹板2和下方波纹板3)以及填充空腔的隔热材料。
[0042]另外，在本发明的技术方案中，上述隔热材料可以采用氧化物陶瓷纤维隔热毡材料或耐高温纳米气凝胶材料单层或多层组合材料，其作用为是填充在上述热防护装置中的空腔中，阻止冷热结构之间的热辐射，起到隔热作用。
[0043]例如，在本发明的较佳实施例中，所述耐高温隔热材料10可以由耐高温ZrO2SAl2O3纤维隔热毡制成，而耐中温隔热材料11则可以由S12纳米气凝胶制成。
[0044]在本发明中的热防护装置中，上面板I实际上一种热结构面板，能够在高温下阻挡热气流并承担力学载荷，因此通常采用耐热结构材料制备，例如碳/碳复合材料、C/SiC、SiC/SiC等耐热复合材料，以及高温合金等耐热金属材料。因此，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述上面板I可以由厚的GH4169高温合金板制备而成。
[0045]在本发明中的热防护装置中，底面板4实际上是一种冷结构面板，能够与机身桁架加筋结构连接，分担机身载荷，因此通常采用航空结构铝合金材料、石墨/环氧、双马来酰亚胺树脂基碳纤维增强复合材料等制备。因此，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述底面板4可以由3mm厚的Al合金板制备而成。
[0046]在本发明中的热防护装置中，采用了上下两层波纹板，即上方波纹板层和下方波纹板层。这种内部连接结构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，因此通常采用耐热结构材料制备，如碳/碳复合材料、C/SiC、SiC/SiC等耐热复合材料，以及高温合金等耐热金属材料。因此，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述上方波纹板2可以由Imm厚的GH4169高温合金板制备而成；而下方波纹板3则可以由1_厚的TiAl高温合金板制备而成。
[0047]另外，在本发明中的热防护装置中，各个上方波纹板2与下方波纹板3是交错设置的；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之间的角度可以是预设的角度。例如，所述上方波纹板2与下方波纹板3之间的角度可以是90°，或者是其它预先设置的角度值。
[0048]由于所述上方波纹板2与下方波纹板3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。
[0049]另外，较佳的，在发明的具体实施例中，所述上方波纹板2与下