復(fù)合材料氣瓶熱防護(hù)材料隔熱性能試驗(yàn)研究

鄧 婉 朱尚龍 周文勇 張宏波

（1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

（2 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

0 引言

某型上面級復(fù)合材料氣瓶受到姿控發(fā)動機(jī)長時間大羽流影響，熱環(huán)境非常惡劣，為保證氣瓶壁面最高溫度不超過70 ℃，需要對其進(jìn)行熱防護(hù)。目前，針對發(fā)動機(jī)高溫?zé)嵩摧椛浼訜帷⒂鹆鳠崃饔绊懙臒岱雷o(hù)主要采用由金屬箔（鎳或鈦）和高硅氧布/硅酸鋁纖維紙組成的高溫多層隔熱組件（簡稱“高溫多層”）或無堿玻璃纖維帶、石英纖維、鍍鋁薄膜等柔性防熱材料，如張濤［1］在某探測器上采用高溫多層設(shè)計隔熱屏將推力室與探測器內(nèi)部其他儀器分開，從而起到保護(hù)內(nèi)部儀器的作用；徐繁榮［2］選擇不銹鋼遮擋板、硅酸鋁纖維氈、石棉帶、117 防燃布和鍍鋁聚酰亞胺薄膜作為長二丁火箭二級姿控發(fā)動機(jī)熱防護(hù)材料；張忠利［3］針對定向姿控發(fā)動機(jī)受熱部位選取鍍鋁薄膜加無堿玻璃纖維帶和鍍鋁薄膜+高硅氧布兩種熱防護(hù)方案開展分析驗(yàn)證。然而這些熱防護(hù)材料缺乏準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)，有的熱物性參數(shù)還與溫度、具體組成、厚度等相關(guān)［4］，不同材料組合的隔熱性能也存在很大的差別，這些都給熱防護(hù)設(shè)計和仿真驗(yàn)證帶來了困擾，為了制定合理有效的熱防護(hù)設(shè)計方案并提高其可靠性，亟待準(zhǔn)確掌握相關(guān)熱防護(hù)材料及組合的耐高溫和隔熱性能。

地面熱試驗(yàn)是一種對材料隔熱性能進(jìn)行考核的有效途徑［5］。其中，石英燈加熱方法加熱能力強(qiáng)、加熱時間長且易于控制［6-7］，適用于結(jié)構(gòu)相對簡單、表面規(guī)則平整的航天器（或部件）［8］，可用作氣瓶熱防護(hù)材料隔熱性能研究的熱流模擬裝置。

本文以復(fù)合材料氣瓶熱防護(hù)材料的耐高溫及隔熱性能為研究對象，通過真空艙模擬上面級飛行段的真空環(huán)境，采用石英燈陣模擬熱源，對兩種熱防護(hù)方案開展熱試驗(yàn)，以期準(zhǔn)確獲取防隔熱材料的隔熱性能，驗(yàn)證熱防護(hù)設(shè)計的正確性，減少熱防護(hù)設(shè)計中的不確定性以優(yōu)化設(shè)計，同時為后續(xù)型號熱防護(hù)設(shè)計提供參考。

1 氣瓶用防隔熱材料

柔性隔熱材料是目前航天器熱防護(hù)系統(tǒng)中使用較多的一種隔熱材料，第二代柔性隔熱材料由石英纖維棉夾在編織好的石英纖維布中縫制而成［9］，又稱“柔性隔熱氈”，它是一種低熱導(dǎo)率的棉被式隔熱部件，通過降低熱傳導(dǎo)進(jìn)行隔熱，最高使用溫度750 ℃，質(zhì)量輕、耐熱震性好、價格便宜。

多層隔熱材料（Multi-layer insulation，MLI），簡稱“多層”，由高反射率的反射屏和低熱導(dǎo)率的間隔層交替組成［10-12］，在真空環(huán)境下具有突出的隔熱性能，常用于航天器熱控系統(tǒng)。根據(jù)使用溫度范圍，多層有低溫、中溫和高溫三種類型［13-14］，其中，中溫多層反射層采用金屬鍍（鋁、銀、金）聚酰亞胺薄膜，間隔層采用玻璃纖維紙、布等，使用溫度范圍為-200～300 ℃（短時間使用可達(dá)450 ℃）；高溫多層反射層采用金屬箔（不銹鋼、鎳、鋁），間隔層采用耐高溫的高硅氧布、玻璃纖維布及其織物，使用溫度范圍為-200～1 000 ℃，但面密度大、價格高。

針對受姿控發(fā)動機(jī)大羽流影響的上面級復(fù)合材料氣瓶，既要求熱防護(hù)裝置隔熱效果好、使用溫度高，還要求熱防護(hù)材料質(zhì)輕、厚度薄、成本低、安裝方便，因此，可以考慮采用柔性隔熱氈和“柔性隔熱氈+中溫多層”組合結(jié)構(gòu)兩種防熱方案。其中，“柔性隔熱氈+中溫多層”的組合防熱結(jié)構(gòu)是先利用一定厚度的柔性隔熱氈將背面溫度（簡稱“背溫”）降至中溫多層的耐溫范圍，再利用多層良好的隔熱性能控制氣瓶表面溫度滿足要求。

2 熱試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

真空熱試驗(yàn)設(shè)備主要包括如圖1 所示的真空艙和石英燈加熱器。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備示意Fig.1 Schematic diagram of test facilities

2.2 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)采用兩種防熱裝置：（1）15 mm厚的柔性隔熱氈；（2）外側(cè)8 mm厚的柔性隔熱氈+內(nèi)側(cè)5單元的中溫多層，分別包覆于兩個氣瓶的半圓柱段外表面（圖2）。其中，多層單元數(shù)以間隔層單元數(shù)定義，反射層單元數(shù)比間隔層多1個，多層外包覆層為單面鍍鋁聚酰亞胺薄膜二次表面鏡，反射層采用雙面鍍鋁聚酰亞胺薄膜，間隔層采用玻璃纖維布。

圖2 氣瓶包覆防熱裝置狀態(tài)Fig.2 Status of gas cylinder with heat-proof materials cladding

2.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)羽流分析結(jié)果選取3個試驗(yàn)工況，熱流密度分別為15、30 和45 kW/m2，持續(xù)作用時間均為400 s。試驗(yàn)件（包括氣瓶和防熱裝置）、石英燈陣、不銹鋼擋板、試驗(yàn)臺的布置如圖3 所示，采用兩塊不銹鋼板分別用于遮擋石英燈陣對氣瓶頭部和尾部半球體熱流加載的影響。

圖3 試驗(yàn)件和設(shè)備布置Fig.3 Placement of test apparatus

試驗(yàn)溫度測點(diǎn)設(shè)置見圖4，測點(diǎn)T1、T3 分別為防熱裝置1 和防熱裝置2 外表面溫度；測點(diǎn)T2、T4 分別為氣瓶1 和氣瓶2 外壁面溫度；測點(diǎn)T5、T6、T7、T8 依次為防熱裝置2的柔性隔熱氈內(nèi)表面（即多層外包覆層外表面）、多層外包覆層內(nèi)表面、多層第1 單元反射層內(nèi)表面和多層第3 單元反射層內(nèi)表面的溫度。

圖4 溫度測點(diǎn)設(shè)置Fig.4 Point setting for the temperature measurement

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 兩種防熱方案的隔熱性能比較

為了比較兩種防熱方案耐高溫和隔熱性能的差異，同時對這兩種防熱裝置進(jìn)行3 個工況的熱試驗(yàn)，氣瓶及防熱裝置表面最高溫度統(tǒng)計見表1，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。結(jié)果表明：在15、30 和45 kW/m2熱流作用下分別保持400 s 后，兩種防熱方案均可使氣瓶壁面溫度滿足不大于70 ℃的溫度要求，其中，氣瓶2 比氣瓶1 壁面溫度略低，而防熱裝置2 比防熱裝置1 外表面溫度高28～37 ℃，即防熱裝置2 比防熱裝置1 耐高溫和隔熱性能更佳。其原因是防熱裝置2 先利用低熱導(dǎo)率的柔性隔熱氈將背溫降至中溫多層的工作溫度，再利用中溫多層在真空條件下的極好隔熱性能，兩類材料組合使用可協(xié)同發(fā)揮作用，相比單獨(dú)使用柔性隔熱氈的隔熱效率更高，同時比單獨(dú)使用高溫多層更能減輕重量、節(jié)省成本。

表1 氣瓶及防熱裝置溫度Tab.1 Temperature results of gas cylinder and thermal protection set

圖5 兩種防熱裝置耐溫和隔熱性能測試Fig.5 Temperature variations of two species thermal protection sets

3.2 多層隔熱組件不同單元溫度分布

為了分析多層不同單元間的溫度傳遞和隔熱性能的差異，3 個工況下防熱裝置2 多層各單元溫度試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示?？梢钥吹?，在15、30 和45 kW/m2熱流作用下分別保持400 s時，多層外包覆層外/內(nèi)表面、第1 單元反射層內(nèi)表面、第3 單元反射層內(nèi)表面的溫度分別為69/ 69/ 50/ 34、127/ 127/ 88/ 57 、175/ 176/ 137/ 96 ℃。結(jié)果表明：大量級熱流作用更能體現(xiàn)多層在真空條件下的良好隔熱性能，且多層隔熱性能由外向內(nèi)隨著單元數(shù)的遞增呈非線性逐漸下降趨勢。這是由于多層通過反射屏面的層層反射對輻射熱形成很高熱阻，隔離內(nèi)部溫度環(huán)境與劇烈變化的外部熱環(huán)境，確保氣瓶溫度滿足要求。

圖6 多層各單元隔熱性能測試Fig.6 Temperature variations of MLI

3.3 計算與試驗(yàn)對比

將熱分析計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，以氣瓶1 和防熱裝置1 受到30 kW/m2熱流作用、氣瓶2 和防熱裝置2 受到45 kw/m2熱流作用為例（具體見圖7），結(jié)果表明，試驗(yàn)值與計算值存在一定的偏差，但總體趨勢保持一致，兩者具體差異性分析如下。

圖7 計算值與試驗(yàn)值對比Fig.7 Comparison between analytical and experimental results

（1）柔性隔熱氈外表面溫度計算值比試驗(yàn)值響應(yīng)更快，這是由于熱分析模型中熱流瞬時直接加載于防熱裝置表面，使得瞬時熱響應(yīng)快，而試驗(yàn)中熱流作用在防熱裝置表面相對是一個緩變過程，此外，測量用熱電偶也有一定的響應(yīng)時間。

（2）防熱裝置1 外表面末時刻溫度計算值比試驗(yàn)值高約7 ℃，防熱裝置2 外表面末時刻溫度計算值比試驗(yàn)值高約15 ℃，造成差異的原因主要是計算熱模型中柔性隔熱材料表面熱物性參數(shù)（包括密度、比熱容、紅外發(fā)射率等）按推薦數(shù)值選取，與實(shí)際可能存在不一致。

（3）氣瓶1 壁面末時刻溫度計算值比試驗(yàn)值高約2 ℃，氣瓶2 壁面末時刻溫度計算值比試驗(yàn)值低約7 ℃，究其引起偏差的原因，一是計算所用的氣瓶和多層表面熱物性參數(shù)是同類材料的推薦數(shù)值，與具體試驗(yàn)用產(chǎn)品材料可能存在一些差別；二是計算所用熱模型中各結(jié)構(gòu)件之間（如柔性隔熱氈與氣瓶、柔性隔熱氈與多層、多層與氣瓶）的熱導(dǎo)率、接觸傳熱系數(shù)等均根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取，與實(shí)際存在一定的差異。

熱分析計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差異，也充分驗(yàn)證了熱防護(hù)設(shè)計仿真中的不確定性。

4 結(jié)論

本文通過真空熱試驗(yàn)對柔性隔熱氈和“柔性隔熱氈+中溫多層”組合兩種防熱結(jié)構(gòu)的隔熱性能進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

（1）采用柔性隔熱氈和“柔性隔熱氈+中溫多層”組合兩種防熱方案，15、30和45 kW/m2三種量級熱流持續(xù)400 s 作用下，可分別帶來290/399/459 ℃和318/442/496 ℃的溫降，具有良好隔熱性能，均可滿足氣瓶壁面溫度要求，但“柔性隔熱氈+中溫多層”組合防熱結(jié)構(gòu)由于協(xié)同發(fā)揮了柔性隔熱材料降低傳導(dǎo)熱、多層隔熱組件反射輻射熱和隔離傳導(dǎo)熱的特點(diǎn)，耐高溫和隔熱性能更優(yōu)；

（2）大量級熱流作用下更能體現(xiàn)多層的良好隔熱性能，且多層隔熱性能由外向內(nèi)隨著單元數(shù)的遞增呈非線性逐漸下降趨勢；

（3）不同厚度和組成的熱防護(hù)材料缺乏準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)、熱模型中不同結(jié)構(gòu)件之間缺乏準(zhǔn)確的熱導(dǎo)率和接觸傳熱系數(shù)，以及熱模型中熱流加載的實(shí)際響應(yīng)速度等都給熱防護(hù)設(shè)計帶來了一定程度的不確定性。