本發(fā)明屬于高超聲速飛行器表面熱防護技術領域，特別是涉及一種平行/交叉錯列式波紋夾芯一體化熱防護面板。

背景技術：

高超聲速飛行器的表面通常需要進行熱防護處理，用于在極端熱環(huán)境下保護機身結構及其他內部子系統(tǒng)的安全，防止它們因過熱而發(fā)生破壞。

傳統(tǒng)的熱防護方式主要是以陶瓷防熱瓦及隔熱氈等隔熱材料貼敷于飛行器表面，這種熱防護方式只能起到防隔熱的作用，而且陶瓷防熱瓦及隔熱氈等隔熱材料的力學性能弱，同時也伴隨有粘接連接維護性差的缺點，當其作為高超聲速飛行器的表面熱防護材料時，通常還需要為其單獨設計承載結構，以滿足氣動載荷可以順利傳遞到飛行器機身，這導致了熱防護材料的總體質量較大，且結構效率不高。

針對傳統(tǒng)的熱防護方式存在的缺點，技術人員又轉而采用高溫合金板包覆輕質隔熱材料的方式對高超聲速飛行器表面進行熱防護，這種熱防護方式既能產生良好的防熱效果，又可較好的傳遞氣動載荷。但是，這種改進后的熱防護方式卻高度依賴于高溫合金板，而高溫合金板需要通過復雜的結構與飛行器機身相連，而且高溫合金板本身并不承受結構載荷。另外，歐洲航天局首先使用了更輕質的陶瓷基復合材料用于替代高溫合金板，并在其內部加入了筋板，使單板面積更大，結構效率也得到提高。盡管如此，改進后的熱防護方式仍只滿足防隔熱和承擔氣動載荷的要求，而對于承擔機身結構載荷的能力嚴重不足，因此結構效率仍十分有限。隨著高超聲速飛行器對結構效率和結構完整性要求的不斷提高，改進后的熱防護方式也已經難以滿足要求了。

為此，技術人員又進一步發(fā)展出了集防隔熱與承擔機身結構載荷功能于一體的熱防護面板，即波紋夾芯一體化熱防護面板。這種熱防護面板由面板和腹板構成結構框架，并在面板與腹板之間的空隙處填充有隔熱材料，用于隔絕外部熱量。具體的，是利用腹板連接上層面板和下層面板，并在空隙處填充隔熱材料，其中上層面板處于高溫環(huán)境中，下層面板處于常溫環(huán)境中，而上層面板承受高溫的同時，還要承受氣動載荷并通過腹板向下層面板傳遞，下層面板與機身結構連接，用于在面板與機身之間分擔結構載荷。另外，對于連接上層面板和下層面板的腹板來說，其需要支撐上層面板，以對上層面板的變形產生約束，同時腹板的變形還受上層面板和下層面板的控制，需要在冷熱結構之間協(xié)調結構變形，傳遞并分配相應的結構載荷。因此，該熱防護面板在集防隔熱與承擔機身結構載荷功能于一體的同時，還具有單板面積大、連接與密封更簡化以及連接更堅固的優(yōu)點。

盡管上述的熱防護面板在高溫環(huán)境下可以擁有良好的力學性能，但是由于熱防護面板的腹板和面板所采用的合金材料通常具有較高的導熱性，而上層面板的熱量會沿著腹板向下層面板傳遞，且熱量的傳遞速度要明顯快于熱量在隔熱材料中的傳遞速度，這將產生非常明顯的熱短路效應，并導致下層面板溫度上升過快。另外，由于上層面板與下層面板所處的環(huán)境存在較大溫差，會導致上層面板與下層面板的熱膨脹變形差異較大，且協(xié)調兩者變形的腹板也會存在較高的溫度梯度，這將產生明顯的變形不匹配效應，當腹板、上層面板和下層面板所采用的材料不同時，材料間的熱膨脹性能差異將更加明顯，進而導致變形不匹配效應也更加明顯。

因此，由于熱短路效應和變形不匹配效應的存在，已經嚴重限制了傳統(tǒng)的波紋夾芯一體化熱防護面板在結構效率上的進一步提升。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種平行/交叉錯列式波紋夾芯一體化熱防護面板，能夠有效改善熱短路效應以及減緩變形不匹配效應，使結構效率得到進一步提升。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種平行/交叉錯列式波紋夾芯一體化熱防護面板，包括頂層面板、中間面板、底層面板、上層腹板及下層腹板；所述頂層面板通過上層腹板與中間面板相連，中間面板通過下層腹板與底層面板相連，在頂層面板、上層腹板、中間面板、下層腹板及底層面板之間的縫隙處填充有隔熱材料；所述頂層面板、中間面板及底層面板相互平行；所述上層腹板與下層腹板采用平行錯列式分布結構或交叉錯列式分布結構。

所述上層腹板與頂層面板、中間面板及底層面板相垂直或具有傾角；所述下層腹板與頂層面板、中間面板及底層面板相垂直或具有傾角。

當所述上層腹板與頂層面板、中間面板及底層面板具有傾角時，傾角范圍為80°～90°，且相鄰上層腹板之間的傾角方向相反；當所述下層腹板與頂層面板、中間面板及底層面板具有傾角時，傾角范圍為80°～90°，且相鄰下層腹板之間的傾角方向相反。

所述頂層面板的材料為inconel718合金，所述中間面板的材料為鈦合金，所述底層面板的材料為耐熱鋁合金，所述上層腹板和下層腹板的材料均為鈦合金，所述隔熱材料選用saffil隔熱氈。

所述頂層面板的厚度范圍為2.2～2.4mm，所述中間面板的厚度范圍為1.9～2.1mm，所述底層面板的厚度范圍為4.1～4.3mm，所述上層腹板和下層腹板的厚度范圍均為3.2～3.4mm。

所述頂層面板與上層腹板之間采用鉚接及插接方式相連，且鉚接點和插接點交錯分布。

所述頂層面板與上層腹板之間的鉚接點處通過l型連接件相連，l型連接件通過鉚釘分別與頂層面板與上層腹板相固連。

所述頂層面板與上層腹板之間的插接點處通過燕尾插槽與梯形插軌相連，燕尾插槽設置在頂層面板下表面，梯形插軌設置在上層腹板上邊沿，燕尾插槽與梯形插軌插接配合。

所述燕尾插槽內表面與梯形插軌外表面均為倒圓角處理后的表面，且燕尾插槽內表面與梯形插軌外表面插接后，兩者之間留有變形補償間隙。

所述上層腹板與中間面板之間、中間面板與下層腹板之間、下層腹板與底層面板之間均采用焊接方式相連。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明是以傳統(tǒng)的波紋夾芯一體化熱防護面板為基礎，保留了傳統(tǒng)熱防護面板的優(yōu)點，同時克服了其存在的缺點。本發(fā)明首次采用了雙層夾芯結構，盡管頂層面板與底層面板之間仍存在較大溫差，但由于中間面板的存在可以形成溫度緩沖的作用，頂層面板與底層面板的熱膨脹變形差異將被分解，并分解到由頂層面板與中間面板構成的上層夾芯結構內及由中間面板與底層面板構成的下層夾芯結構內，同時腹板的溫度梯度也將分別由上層腹板和下層腹板共同分擔，則用于協(xié)調頂層面板與中間面板的上層腹板及用于協(xié)調中間面板與底層面板的下層腹板所存在的溫度梯度也將明顯減小，最終使變形不匹配效應得到有效減緩。

對于本發(fā)明首次采用的雙層夾芯結構，還首次對腹板結構進行了全新設定，即上層腹板與下層腹板采用平行錯列式分布結構或交叉錯列式分布結構。由于面板的熱量會沿著腹板和隔熱材料同時傳遞，且熱量在腹板中的傳遞速度要明顯快于在隔熱材料中的傳遞速度，這也是產生明顯熱短路效應的主要原因，而當上層腹板與下層腹板采用平行錯列式分布結構或交叉錯列式分布結構時，頂層面板與底層面板之間的熱短路路徑將被阻斷，最終使熱短路效應得到有效改善，同時還具有良好的承力性能，并滿足載荷的傳遞和分配。

本發(fā)明的頂層面板與上層腹板之間摒棄了傳統(tǒng)的焊接方式進行相連，并首次采用了鉚接及插接方式進行相連，并且鉚接點和插接點交錯分布，而且多個鉚接點可以形成點陣連接效率，并可以明顯減小應力集中。另外，插接點的燕尾插槽內表面與梯形插軌外表面之間還設有變形補償間隙，可在一定程度上補充頂層面板的熱變形，且當熱變形量較小時，由于變形補償間隙的存在，插接點處并不會產生約束作用，但當熱變形量較大時，插接點處將起到約束頂層面板的作用，并有效分擔鉚接點的約束力，進而在一定程度上協(xié)調了頂層面板與上層腹板的結構變形。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種平行/交叉錯列式波紋夾芯一體化熱防護面板(上層腹板與下層腹板采用平行錯列式分布結構)結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種平行/交叉錯列式波紋夾芯一體化熱防護面板(上層腹板與下層腹板采用交叉錯列式分布結構)結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的頂層面板與上層腹板采用鉚接及插接后的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明的頂層面板與上層腹板在插接點處的結構示意圖；

圖5為本發(fā)明的設置有燕尾插槽的頂層面板結構示意圖；

圖6為本發(fā)明的設置有梯形插軌的上層腹板結構示意圖；

圖中，1—頂層面板，2—中間面板，3—底層面板，4—上層腹板，5—下層腹板，6—隔熱材料，7—l型連接件，8—燕尾插槽，9—梯形插軌，10—變形補償間隙。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

如圖1～6所示，一種平行/交叉錯列式波紋夾芯一體化熱防護面板，包括頂層面板1、中間面板2、底層面板3、上層腹板4及下層腹板5；所述頂層面板1通過上層腹板4與中間面板2相連，中間面板2通過下層腹板5與底層面板3相連，在頂層面板1、上層腹板4、中間面板2、下層腹板5及底層面板3之間的縫隙處填充有隔熱材料6；所述頂層面板1、中間面板2及底層面板3相互平行；所述上層腹板4與下層腹板5采用平行錯列式分布結構或交叉錯列式分布結構。

所述上層腹板4與頂層面板1、中間面板2及底層面板3相垂直或具有傾角；所述下層腹板5與頂層面板1、中間面板2及底層面板3相垂直或具有傾角。

當所述上層腹板4與頂層面板1、中間面板2及底層面板3具有傾角時，本實施例中，傾角為85°，且相鄰上層腹板4之間的傾角方向相反；當所述下層腹板5與頂層面板1、中間面板2及底層面板3具有傾角時，本實施例中，傾角為85°，且相鄰下層腹板5之間的傾角方向相反。

由于頂層面板1需要承受高溫，并需要在高溫下具有較大的剛度和強度，同時為了提高耐沖擊性能，需要頂層面板1具有較高的斷裂韌性，因此頂層面板1的材料選用inconel718合金。

由于中間面板2位于頂層面板1和底層面板3之間，其工作溫度較頂層面板1低，但比底層面板3高，而且中間面板2還起到傳遞載荷和協(xié)調變形的作用，則需要中間面板2在中等溫度環(huán)境下具有較高的強度和剛度，因此中間面板2的材料選用鈦合金。

由于底層面板3的工作溫度不超過150℃，其可作為熱沉防止背面溫度超過限制，因此需要底層面板3需要具有較高的熱容，還由于底層面板3是與機身結構相連接的，其需要有一定的剛度和強度，因此底層面板3的材料選用耐熱鋁合金。

本實施例中，所述頂層面板1的厚度取2.3mm，所述中間面板2的厚度取2mm，所述底層面板3的厚度取4.2mm，所述上層腹板4和下層腹板5的厚度均取3.3mm。

在傳統(tǒng)的熱防護面板中，上層面板和上層腹板是通過焊接方式相連的，由于上層面板易出現(xiàn)嚴重熱變形，一旦上層面板和上層腹板的焊接點處連接強度不夠時，將會出現(xiàn)連接失效的嚴重后果，這將給高超聲速飛行器的帶來不可估量的危險。本發(fā)明摒棄了焊接方式，所述頂層面板1與上層腹板4之間首次采用了鉚接及插接方式進行相連，而且鉚接點和插接點交錯分布。多個鉚接點可以形成點陣連接效率，并可以明顯減小應力集中，而且鉚接的鉚縫嚴密不漏氣。

所述頂層面板1與上層腹板4之間的鉚接點處通過l型連接件7相連，l型連接件7通過鉚釘分別與頂層面板1與上層腹板4相固連。

所述頂層面板1與上層腹板4之間的插接點處通過燕尾插槽8與梯形插軌9相連，燕尾插槽8設置在頂層面板1下表面，梯形插軌9設置在上層腹板4上邊沿，燕尾插槽8與梯形插軌9插接配合。

所述燕尾插槽8內表面與梯形插軌9外表面均為倒圓角處理后的表面，且燕尾插槽8內表面與梯形插軌9外表面插接后，兩者之間留有變形補償間隙10，可在一定程度上補充頂層面板1的熱變形，且當熱變形量較小時，由于變形補償間隙10的存在，插接點處并不會產生約束作用，但當熱變形量較大時，插接點處將起到約束頂層面板1的作用，并有效分擔鉚接點的約束力，進而在一定程度上協(xié)調了頂層面板1與上層腹板4的結構變形。

所述上層腹板4與中間面板2之間、中間面板2與下層腹板5之間、下層腹板5與底層面板3之間均采用焊接方式相連。

另外，為了滿足熱防護面板的總體質量要求，在必要條件下可在上層腹板4和下層腹板5上增設減重孔。

實施例中的方案并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變更，均包含于本案的專利范圍中。