一种应用于超声速导弹上的新型隔热贴片
阅读说明：本技术 一种应用于超声速导弹上的新型隔热贴片 (Novel heat insulation patch applied to supersonic missile ) 是由 刘强 任广为 梁建军 李其畅 陈景鹏 谢雪明 孙永丰 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：一种应用于超声速导弹上的新型双层隔热贴片。该贴片采用非金属+金属材料制成,通过非金属材料的低导热性高效阻隔外环境热源,通过金属材料的高密度特点降低内环境温度,为导弹结构及舱内仪器设备提供环境温度保护。新型隔热贴片增加了金属层,其防隔热效果强于传统隔热材料,且具备较好的力学性能,可承受一定力学载荷环境。新型隔热贴片适用范围广,可隔导弹内外热。贴片制造工艺简单,无需特殊加工设备。(A novel double-layer heat-insulating patch applied to a supersonic missile. The patch is made of nonmetal and metal materials, the low thermal conductivity and high efficiency of the nonmetal materials are used for blocking an external environment heat source, the high density characteristic of the metal materials is used for reducing the internal environment temperature, and the environmental temperature protection is provided for missile structures and instrument and equipment in the cabin. The novel heat-insulating patch is additionally provided with a metal layer, the heat-insulating effect is better than that of the traditional heat-insulating material, and the novel heat-insulating patch has better mechanical property and can bear a certain mechanical load environment. The novel heat insulation patch has wide application range and can insulate the internal heat and the external heat of the missile. The patch is simple in manufacturing process and does not need special processing equipment.)
技术领域
本发明提供了一种应用于超声速导弹的隔热方案，属于航空飞行器结构防隔热设计领域。
背景技术
超声速导弹低空高速飞行，环境动压非常大，加之较长时间飞行，导弹结构面临的气动加热环境恶劣。研究表明，当导弹飞行马赫数超过2.5，金属材料的弹体壁温度会超过400℃。导弹的高壁温将严重削弱弹体承力结构的强度，并给弹舱内部设备的正常工作带来不利影响，从而造成导弹飞行性能和飞行品质下降，甚至危及飞行安全。因此防隔热设计是超声速导弹设计中必不可少的一环。
传统的防隔热方案主要是在弹体外表面覆盖一层导热率很低的防隔热材料，用于延缓热量向内部传导，应用较多的有内绝热层材料、聚氨酯泡沫塑料和软木隔热材料。这些材料能够有效阻隔热量的传递，但其低密度特性易导致材料本身温度过高，造成在材料较薄时隔热效果不明显。若采用较厚的隔热材料，则须在增加飞行阻力和牺牲装填空间中做选择，给飞行器总体设计带来压力。因此研制具备高效防隔热能力的新型热防护方案十分迫切。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，发明一种应用于超声速导弹的新型隔热贴片。该贴片设计为非金属+金属材料的双层隔热结构，两层通过耐高温粘合剂紧密贴合。贴片通过非金属材料的低导热性高效阻隔外环境热源，通过金属的高密度特点降低内环境温度，为导弹结构及舱内仪器设备提供环境温度保护。
本发明的技术解决方案是：(与权利要求书一致)
本发明与现有技术相比的有益效果为：
(1)本发明采用非金属+金属材料的双层隔热结构，隔热效果高于纯非金属隔热材料。相同隔热材料厚度下，本发明方案的内壁温度更低；相同热源下，本发明方案的结构厚度更薄。
(2)本发明由于增加可金属层，贴片具备较好的力学性能，能够适应一定范围的力学载荷环境考验。
(3)本发明适用范围广。以外非金属+内金属层方式粘贴包覆在弹体外表面可有效防护气动热对弹体的加温；以外金属+内非金属层形式粘贴包覆在发动机外壳体，可防护发动机壳体对外挂设备的加热。若非金属采用大柔性材料，本发明能适应小型舵前缘、电缆、摇摆喷管的间隙防热套等大曲率表面。
(4)本发明制造工艺简单，使用耐高温粘合剂贴合不同厚度非金属和金属层，即可得到不同适用范围的隔热产品，无需特殊加工设备，制备成本低。
附图说明
图1为本发明中新型隔热贴片示意图。
图2为本发明中新型隔热贴片在超声速导弹上的应用，其中图2(a)为导弹各舱段布局示意图；图2(b)为整流罩隔热结构示意图；图2(c)为仪器舱隔热结构示意图；图2(d)为穿舱电缆隔热结构示意图；图2(e)为尾喷管隔热结构示意图；图2(f)为弹翼隔热结构示意图。
图3相同材料厚度下，不同隔热方式的内壁温度曲线图。
图4相同内壁温度下，不同隔热方式的材料厚度曲线图。
具体实施方式
一种应用于超声速导弹上的新型隔热贴片，主要特征为：低导热率非金属+ 高密度金属双层结构，并通过耐高温粘合剂胶粘而成，见图1。
基于有较好的抗烧蚀性和隔热性要求选取合适的非金属材料，此外非金属还应满足密度较低，材料质量较小的特点。本贴片使用的非金属材料为：碳纤维复合材料、耐烧蚀硅橡胶、软木。考虑来源广泛且成本较低，本贴片使用的金属材料为：合金铝、合金钢。本贴片使用XZ-T002、ZS-1071型号粘结剂进行胶粘。相关材料性能表1。
表1贴片采用的金属材料和非金属材料性能
贴片隔热的原理为通过非金属材料的低导热性高效阻隔外环境热源，通过金属材料的高密度特点降低内环境温度，为导弹结构及舱内仪器设备提供环境温度保护。在给定隔热层厚度δ前提下，非金属、金属材料按照以下公式进行厚度分配，能够达到最佳隔热效果。
式中下标1、2分别表示复合材料、金属参数，其中δ为材料厚度(mm)，λ为导热率(W/(m·K))，ρ为密度(kg/m3)，c为材料比热容(J/(kg·K))。 n1、n2为系数，分别取2.0，1.5。为使隔热层轻质化，降低单位面积隔热材料质量，使m＝min[ρ1δ1+ρ2δ2]，兼顾隔热效率，在厚度的分配上，适当降低系数n1，取1.6～2.0之间。
通过XZ-T002或ZS-1071高温粘合剂将非金属和金属材料紧密胶粘，形成贴片。
依据非金属材料和金属材料的特性，设计不同厚度配比，形成贴片的规格定制。以碳纤维复合材料+合金钢、耐烧蚀硅橡胶+合金铝、软木+合金铝为例，定制规格见表2。在方隔热方案设计时，可基于导弹各部件的外形及热环境条件，依据表2选取相应的贴片种类和规格。
表2贴片不同厚度定制方案
根据导弹部件热源不同，贴片包覆方式不同。对弹体的气动加热进行隔热，贴片以外非金属层+内金属层方式粘贴包覆在弹体外表面，用于保护弹体结构及舱内设备。对弹体内热(如发动机燃烧室、喷管)进行隔热，以外金属+内非金属层形式粘贴包覆在发动机外壳体和喷管外侧，用于保护外挂设备。
此外面对小型舵前缘、电缆、摇摆喷管的间隙防热套等大曲率表面，非金属层应采用具有较大柔性的耐烧蚀硅橡胶材料。
以常规超声速有翼导弹为例，其头罩、仪器舱、穿发动机舱电缆、喷管、弹翼均需要进行隔热处理，见图2。其中头罩采用软木+合金铝材料、仪器舱、弹翼采用碳纤维复合材料+合金钢材料，穿发动机舱电缆、喷管采用耐烧蚀硅橡胶+合金铝材料。具体参数见表3。
表3超声速导弹隔热方案
依据空气动力学及材料热传导原理预示仪器舱内壁面温度，并与无防隔热措施对比，测试本发明的实际效果。表4为测试所需的弹道环境。
表4超声速导弹弹道
图3为相同弹道热环境下，不同防隔热方案下的内壁温度曲线，其中 Mode1方案为纯金属材料(合金钢)，Mode2方案为纯非金属材料(碳纤维复合材料)，Mode3方案为本发明贴片(碳纤维复合材料+合金钢)，三方案材料厚度均为4mm。图3可知采用Mode1方案，其内壁温度最高可达300℃左右，严重影响结构安全并危害设备正常工作。采用Mode2的纯非金属隔热材料方案，其内壁温度最高约195℃，对仪器舱内设备仍会造成影响，Mode2防隔热方案效果一般。而采用本发明方案Mode3，内壁温度最高约110℃，温度较低，本发明隔热效果较高。
图4为Mode2方案和Mode3方案在相同内壁温厚度下，其所用材料的厚度δ曲线，有图可知采用发明的贴片方案，所用材料厚度更薄。例如使壁面温度降至200℃，使用Mode2方案需要4mm厚度材料，而采用本发明方案仅需要你2mm厚度材料即可。本发明使得隔热材料更薄，将为导弹的阻力特性、装填包络争取了进一步的优化空间。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
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