對於可重覆使用的太空梭而言，從地面發射升空，承受高爆衝力來克服地心引力；之後返回地球，穿過大氣層時，經歷足以熔化鋼板的高溫爆燃，接著降落地面時的高速撞擊，這些過程涉及了加速度、振動、衝擊、表面摩擦、熱流以及空氣動力學等複雜的物理行為。 為了讓太空梭反覆執行任務，熱防護系統(TPS)從1972起一直是太空梭設計的重點。在發展可重覆使用載具之金屬TPS與熱結構上，荷蘭太空公司扮演著重要的角色，目前該公司正投入歐洲無人重返測試平台(EXPERT)的TPS計畫。 EXPERT的機身由強化合金(PM100)打造，機鼻與四片襟翼則是耐熱溫度遠超過金屬的陶瓷複材(CMC)所組成，該計畫的領導者Fatemi博士提到，金屬的熱膨脹量是陶瓷的八倍以上，將造成可觀的熱差異，如果發生在重返大氣層時，產生的紊流會增加2~3倍的熱流，因此關鍵在於如何用模擬分析來設計TPS，使其可以連接材料不同的部位，容許差異熱膨脹，而不會引發亂流。 欲模擬EXPERT所經歷的多重物理現象，Fatemi博士用結構三維模型分析TPS在承受發射、空氣動力之加熱與壓力下的勁度、強度與熱-力學行為，考慮所有非線性，所有的材料性質都隨溫度變化，以四節點一階薄殼元素來模擬；三維熱模型用四節點熱傳薄殼元素來評估TPS每個零件與載貨之溫度歷時。 離地升空階段，載重包含從火箭的擬靜態加速、來自火箭引擎的聲場負載、2/3階段分離的急遽解壓與每個分離階段的隨機振動與撞擊，為了避開共振頻率，Fatemi博士求得結構的最小特徵頻率為80Hz，最小外力頻率為86Hz，沒有發生共振之疑慮。強度分析，最大載重發生在火箭的第二與第三分離階段。整個過程，TPS的每個零件都是安全邊界(MS)正值。 150秒的重返大氣層過程，439公斤重的EXPERT以14倍音速(5km/s)、負5.5的角度，從海拔104km衝入音牆，產生驚人的動能，與空氣摩擦減速，表面溫度驟升。模擬空氣動力的加熱，先用CFD軟體Lore計算五種不同速度下，飛行器外表面的熱流分布，再將此分布的網格放進ABAQUS的熱模型中，觀察Contour圖的分布，同理動態壓力也用此方法，求得外力與飛行器的形狀、大氣密度與速度有關。評估材料的力學性質隨著溫度上升而降低的效應，採接續的熱-力學分析，找出CMC機鼻在102秒時有最高溫度2165K，CMC襟翼在95秒的2328K，金屬機身則是112秒時的1464K，此分析也算出機鼻與機身的熱差異，影響密封的軸向位移與引發紊流的徑向位移都在容許範圍內，塑性應變與MS也是。 實驗驗證包含測試高溫下的螺栓接合與飛行器的動力測試，與模擬相比，螺栓接合的差值在3%以內，動力測試在5%以內，這樣的結果給予Fatemi博士高度信心，進行下一步的ABAQUS有限元素模型與CFD空氣熱動力分析之偶合，這是非軍用載具的創舉。 關鍵字：3D、EXPERT、TPS 下載PDF