淺談航天飛行器的熱防護

劉 洋，劉瑞勛，郭 銳，樊 宇，劉慶龍

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

1 航天飛行器在結(jié)構(gòu)、彈道上的熱防護

航天飛船之類的飛行器，在再入大氣層時，一般采用的是彈道式再入加降落傘的方法。按照我們的固有理念來說，尖銳的頭部結(jié)構(gòu)造型可以減少氣動摩擦，從而避免表面升溫。但實際情況遠非如此，再入過程中的高速度使得升溫過程太快，尖銳頭部對減小氣動加熱的作用微乎其微。

1951年美國物理學家亨利·艾倫發(fā)現(xiàn)，高速航天器對前方的空氣形成強烈的壓縮，在前方形成一個傘狀的空氣錐。前端靜態(tài)空氣加熱的是空氣錐，而不是航天器本身，因此他提出航天器的頭部應(yīng)該是鈍形的，詳見圖1.圓鈍形頭部前方的空氣溫度可超過5 000℃，而航天器表面溫度在1 200℃左右，說明了鈍形氣動布局的有效性，也就形成了目前我們常用的結(jié)構(gòu)，我們也叫它“防熱大底”或者“熱盾”。

在彈道設(shè)計上，最典型的防熱例子就是航天飛機再入大氣層。航天飛機在返回時要嚴格按照一條精細計算過的彈道返回，這樣不僅僅是確保降落時的準確性，更重要的是，這條彈道要具有瞬時氣動加熱和累計氣動加熱之間最小化的條件，最大限度地降低熱效應(yīng)。

圖1 熱盾的原理圖

2 防熱材料在航天飛行器結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用

只依靠結(jié)構(gòu)布局和彈道設(shè)計上的防護，對航天器來說是遠遠不夠的，超過1 600℃以上的高溫要求我們在此基礎(chǔ)上對防熱材料進行深入研究，為減緩熱效應(yīng)提供幫助。

一般情況下，我們將結(jié)構(gòu)防熱技術(shù)分為吸熱式結(jié)構(gòu)、輻射式結(jié)構(gòu)、燒蝕式結(jié)構(gòu)、發(fā)汗式結(jié)構(gòu)4種。

吸熱式結(jié)構(gòu)又叫作熱沉式結(jié)構(gòu)，是利用材料自身熱容吸熱來達到防熱目的的一種方式，通常采用比熱容大、熔點高、導熱率大的結(jié)構(gòu)材料，如鈹、石墨等。燒蝕式防熱結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法，它利用材料的相變吸熱和質(zhì)量交換來達到防熱目的，通常采用導熱系數(shù)小、相變溫度高的材料，比如石墨和聚四氟乙烯、玻璃-酚醛、石英-酚醛、高硅氧-酚醛、尼龍-酚醛、滌綸-酚醛、有機硅樹脂和熱塑環(huán)氧等。

輻射式防熱結(jié)構(gòu)由耐熱外蒙皮、隔熱層和內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，外蒙皮由高輻射率的耐熱材料或表面涂有高輻射涂層的材料構(gòu)成，受熱時，以輻射的形式向外散熱。

發(fā)汗式結(jié)構(gòu)是利用氣體或者液體發(fā)汗劑從多孔表面中擠出并分解和氣化，利用固體發(fā)熱劑在氣動加熱下的氣化來吸收熱量，其優(yōu)點是保持外形結(jié)構(gòu)不變，抗侵蝕性好。

3 實際生產(chǎn)中接觸的防熱材料簡介

在我們的實際生產(chǎn)過程中，中國新一代運載火箭應(yīng)用較多的幾種防熱材料如下。

3.1 防熱尾裙

目前，新一代運載火箭各部段的尾裙防熱裝置在選材上有所不同。例如，A部段材料選擇是1層薄漆布（加熱面）＋2層厚漆布＋1層氟四布＋1層薄漆布＋4 mm柔性隔熱氈，共6層，最高背溫276.8℃；B部段材料選擇是8 mm柔性隔熱氈，最高背溫541.6℃。

漆布就是硅橡膠涂覆玻璃布，有薄、厚兩種，厚度分別為0.28±0.04 mm和1.9±0.5 mm。然后是柔性隔熱氈，柔性隔熱氈的主要成分是石英纖維。防熱尾裙允許燒蝕，但不允許燒漏。第一層漆布主要起機械防護作用，兩層厚漆布主要起燒蝕防熱作用，柔性隔熱氈的主要作用是隔熱。

3.2 鍍鋁薄膜

鍍鋁薄膜在我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)中的應(yīng)用還是比較廣泛的。鍍鋁薄膜是在高真空度的條件下，用電阻、高頻或電子束加熱鋁，使其融化為蒸汽，附著在基材表面制成薄膜，形成一種電鍍的效果。它具有以下特點：①成本更低；②具有良好的耐折性和韌性；③具有極佳的金屬光澤，表面反射率能達到92%；④鍍鋁層導電性好。

3.3 聚酰亞胺

我們目前所使用的鍍鋁薄膜的基材就是聚酰亞胺，聚酰亞胺本身是一種極好的防熱有機高分子材料。聚酰亞胺本身呈現(xiàn)金黃色，主要具有以下突出性能：①優(yōu)異的機械性能?，F(xiàn)在的加強型有的可以達到400 MPa的抗拉強度。②突出的耐腐蝕性。一般的有機溶劑都不會對它造成影響。③絕佳的耐熱性能。聚酰亞胺制品的可靠工作溫度在-100～300℃之間。聚酰亞胺廣泛地與鋁箔結(jié)合作為組合體使用。

3.4 玻璃纖維

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，種類多、絕緣性好、耐熱性強、不可燃、機械強度高，有良好的阻燃性。但是玻璃纖維不耐磨，而且比較脆。

3.5 陶瓷纖維

陶瓷纖維帶，又叫耐火陶瓷纖維帶。它是一種輕質(zhì)、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導熱率低、比熱小、耐機械振動的材料，但不是太耐磨。普通的陶瓷纖維又叫硅酸鋁纖維或陶瓷纖維。如果添加氧化鋯或者氧化鉻，陶瓷纖維的耐溫性會更高。

4 結(jié)束語

航天科技的發(fā)展是人類科技進步的重要動力之一，航天領(lǐng)域的發(fā)展不可避免地要解決越來越嚴酷的熱環(huán)境問題，越來越先進的材料和越來越優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計、彈道設(shè)計為我們保駕護航，讓熱環(huán)境不再成為束縛我們走向深空的枷鎖，讓更多更先進的航天飛行器的誕生成為可能，追逐浩瀚星空夢想也將因此而得到更多的助力。

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