[发明专利]一种仿生多功能热防护结构及其成形方法

说明书

本发明公开一种基于SLM成形的仿生多功能热防护结构，采用SLM技术实现结构的成形，由面板层和功能层组成，其中功能层由管状结构以及内部微结构组成，相邻层的管之间保证一定尺寸的交联，确保结构获得牢固的连接。本发明是根据仿生学原理，并基于马尾草微结构特征设计成一种新型的仿生多功能热防护结构，当结构与气流发生相互作用时，受到热载荷和冲击载荷的双重作用，在功能层的作用下热量的传递方式发生改变，相比于无微结构的结构而言，隔防热性能明显提高，此外功能层可以有效的缓解结构中的应力集中，缓冲冲击过程中的部分能量，从而提高结构的抗冲击性能。

技术领域

本发明涉及仿生结构工程技术领域，具体涉及一种仿马尾草茎干的多功能热防护结构。

背景技术

近年来，随着航空航天领域的快速发展，高超飞行器和可重复使用的运载火箭已然成为航空航天领域的重要组成部分，然而飞行器在高速巡航和返回阶段不得不承受严重的气动加热，因此在飞行器外层需要穿上热防护结构外衣，热防护系统是使飞行器在较高的气动加热环境下免遭过热的结构。热防护结构可以有效地提高飞行器的安全性和稳定性，热防护结构不但可以保护飞行器内部构件免受高温的破坏，而且还可以提供足够的承载能力，其与飞行器的承力结构和推进设备具有同等重要的作用。在各种材料的热防护结构中，金属热防护结构不但可以起到隔防热的作用，而且还可以作为承力构件，与传统的航天飞机陶瓷热防护系统相比，可实现减重15％～20％，此外相比于普通的热防护结构的胶粘连接而言，金属热防护结构可以实现与飞行器内部构件形成机械连接，连接更加牢固稳定。

经过数亿年的发展，自然界的生物结构逐渐表现出优越的性能，并且为技术的发展和创新提供了源源不断的原型，研究表明马尾草内部与外部的温度差异很大，其内部微结构特征可以有效的阻隔热量的传输，在某种程度上起到有效地隔防热效果，同时在大风的冲击下，也不会被折断，具有抗风冲击、抗弯能力强的特点，通过对马尾草内部微结构特征进一步的观察发现，不同的马尾草具有不同的内部微结构，进而决定了其性能，进而适应不同的环境下的外部载荷。基于马尾草优异的隔热和抗冲击性能，为热防护结构提供了天然的生物蓝本。

发明内容

发明目的：本发明目的在于提供一种仿生多功能热防护结构，解决航空航天领域极端环境下的热防护问题；本发明的另一目的在于提供一种上述热防护结构的成形加工方法。

技术方案：本发明所述仿生多功能热防护结构，由上、下两面板层和位于两面板层之间的功能层组成；

面板层为结构板，用于与飞行器的连接；

功能层包括若干中空管状的大结构管，各大结构管层叠并联结形成蜂窝结构。

本发明进一步优选地技术方案为，在各大结构管内均设置同轴有一中空管状的小结构管，所述小结构管通过多个结构壁与对应的大结构管联结。

作为优选地，所述大结构管管壁厚0.5mm，相邻两大结构管之间具有0.3mm的偏移量；所述小结构管管壁厚0.2mm，结构壁厚0.2mm。

优选地，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为1mm，外径为1.4mm。

优选地，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为1.5mm，外径为1.9mm。

优选地，所述大结构管内径为4mm，小结构管的内径为2mm，外径为2.4mm。

优选地，所述面板层和功能层均采用Ti6Al4V球形粉末成形，球形粉末的平均粒径范围为17～68μm。

本发明的仿生多功能热防护结构的成形方法，包括如下步骤：

1)模型设计及处理：构建结构的三维实体几何模型，并通过3D打印模型处理软件对结构进行分层切片处理，切片层厚为20～100μm；