当航天飞行器再入大气层时经受剧烈的气动加热,必需采用热防护系统(Thermal Protection System,TPS)对飞行器的机体加以保护.未来可重复使用的先进TPS 将是更多种材料及结构形式的综合应用,并且是气动热、结构与材料的一体优化设计的结果,以实现发射有效载荷的成本将减少一个数量级的宏伟目标,与此相应的是对热防护系统设计及理论研究提出新的挑战.通过先进的设计方法来实现先进TPS,不仅要依靠提高材料性能、创造全新的防热结构,而且要重视对TPS热分析模型的研究以此来提高热分析及相关性能参数预测的精确性,并通过精细的热分析计算实现这些结构自身性能的优化及由此带来的TPS性能提高.气动热、结构与材料的紧密关系,使TPS的设计不可能像以往那样单独考虑防热问题；隔热结构形式的复杂化,控制变量的增加,在增加了实验的难度与负担的同时增强了理论分析的重要性与依赖性,多学科的一体优化研究在TPS设计中发挥越来越重要的作用.本文对热防护系统的非灰体隔热纤维层结构的热分析模型与一体优化设计的研究,不仅有利于热防护系统设计及理论发展,也具有重要的实际应用价值. 本文研究是以发展航空和宇航科技为长远目标而制定的,目的就是提供给航天飞行器一个优化的热防护系统设计,并以热防护系统非灰体隔热纤维层结构和一体优化设计为具体研究目标开展以下研究:(1)对非灰体隔热纤维层及多层结构建立热分析模型并进行数值求解；(2)基于本文发展的热分析模型开发TPS一体优化系统,对TPS进行优化设计；(3)对非灰体纤维层热辐射特性及隔热结构进行实验研究,通过实验数据与数值预测数据的对比,对实验和本文所发展的热分析模型及其数值求解的可靠性进行相互验证,通过实验研究可以得到具体材料的部分特性数据并为下一阶段热真空的 TPS 材料优选奠定基础.最后,本文把智能型TPS作为一个探索方向,对智能型TPS在减轻质量方面的优势及潜力做了初步探讨. 本文所进行的具体工作及取得主要成果如下: (1)发展了一个详细的热分析模型用于研究高空隙率、高温的非灰体半透明纤维隔热层内的热辐射、热传导和热对流.纤维之间的热辐射,纤维内的热传导(纤维之间以及气体之间的热传导)和纤维与周围气体之间的热对流都被考虑.这个模型不仅提高了热分析的精度还可用来分析TPS内自然对流的影响.(2)构建了多层隔热结构的瞬时辐射和传导耦合的热分析模型,该模型运用辐射传递方程(RTE)来分析非灰体纤维层隔热材料的热辐射传递,这将提高热分析及相关性能参数预测的精确性,通过这个精细的热分析模型的计算从而实现.TPS自身性能的优化及由此带来的TPS性能提高. (3)建立了带反射屏的高空隙率非灰体纤维多层隔热结构的热分析模型,用于研究带反射屏的高空隙率、高温非灰体半透明多层纤维隔热结构内的热辐射、热传导和热对流,从而为这类具有复杂结构和传热机理的热防护系统提供精确的热分析.(4)开发了一体优化设计系统,它包括气动热和TPS瞬态热反应、TPS尺寸确定、显示TPS各种参数随时间变化的过程,它也包括一个优化功能,用来决定防止下层结构超出操作温度所需.TPS材料的最小尺寸.这个设计系统的特点是它的扩展功能: 用来分析带有多层非灰体隔热纤维材料的金属TPS和智能型TPS的热反应,为下一代或未来的TPS设计奠定基础.这个设计系统被应用到一个航天飞机的TPS设计上,其设计结果与获得的参考结果吻合度较高,系统的扩展功能也展现了它在未来TPS设计应用中的强大功能.(5)利用傅立叶红外变换光谱仪(FFIR,Fourier Transform Infrared Spectroscopy)对石英纤维样本进行不同红外波长(2.5μm～25μm)的光谱透射率测试,然后通过建立分析模型求得光谱消光系数,辐射系数等.通过与理论数据的比较,该研究方法的可行性得到证明. (6)设计并建造了自己的实验台,并且对纤维隔热层及其多层隔热结构(石英纤维,非灰体材料)进行稳态和瞬态测试,得到有效导热系数及其热反应性能等数据,这些实验数据被用于多层隔热结构传热模型的验证,并得到较好效果,更重要的是这个实验台在以后的TPS研究中会起到更大的作用.(7)引进了智能型TPS的设计创意,并以智能型金属TPS为例,展示了智能型TPS在减轻FPS质量方面的优势及潜力.