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国外航天运输系统防热系统_结构和材料的总体分析研究.pdf

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·航天材料信息网会议论文选登· 国外航天运输系统防热系统、结构 和材料的总体分析研究 韩鸿硕 航天科技信息研究所北京以叉 文摘对近年来国外航天运输系统包括飞船、航天飞机和空天飞机等的防热方案的选用方向、防热结 构和防热材料的研究与应用以及发展方向进行了高度概括与分析,采用了新的分类方法,介绍了各种新型的 防热系统、结构和材料。 关键词航天运输系统,航天飞船,航天飞机,航空航天飞机,单级入轨飞行器,重复使用航天器,防热系 统,防热结构,防热材料 , 〕厌 加, 罗卯, 伴即叮 川二即,,,, ,, 国外航天运输系统防热系统方案的选用方向型航天飞机系统包括外贮箱和一些小型航天飞机 由一次性使用向重复使用发展方案。未来的重复使用航天运输系统将采用新型被 目前航天运输系统主要采用一次性使用防热系动防热系统、较复杂的半主动热管冷却和主动对流 统和初级重复使用防热系统,前者基本上是半被动冷却系统。尤其是各种新型被动防热结构如先进 烧蚀防热系统,采取烧蚀防热材料和结构包括隔热、陶瓷基复合材料热结构和盖面板结构、韧性 材料和结构,基本上满足了一次性使用飞船和返回防热瓦、新型陶瓷柔性隔热毡、陶瓷多层隔热结构、 式卫星以及一些未来部分重复使用飞船的需求金属多层壁面板以及先进内部低温隔热材料与结构 后者基本上是被动热结构和隔热结构防热系统,采等,均将得到迅速发展,并用于各类部分或完全重复 用复合材料热结构和陶瓷瓦、毡表面隔热结构以及使用航天运输系统,尤其是火箭发射重复使用小型 泡沫低温隔热结构,主要应用于部分重复使用的大运载器和火箭动力单级人轨运载器〔‘,。 收稿日期卯一一 宇航材料工艺年第期 。 由防热系统与结构系统分开向防热一结构一些防热材料试样 推进系统一体化发展国外航天运输系统防热结构和材料的研究与应 由于航天运输系统向重复使用、轻量化发展,并用 且飞行器本身携带火箭发动机、吸气式发动机及低对流冷却结构和材料 温推进剂内贮箱,因此必须对其防热系统、结构系对流冷却结构是通过冷却剂循环带走因严重气 , 统和推进系统统一考虑,进行一体化设计,提高结构动加热引起的绝大部分热量而达到防热目的的又 。 效率、使用性能和可靠性。因此,防热系统要与主结称之为再生冷却系统美国在为进行的防热 , 构、发动机、储箱紧密结合。如使新型面板式防热结一结构设计中就研究选择了各种主动冷却结构主 , 构得到发展,由外部防热面板、隔热层、体机结构、储要包括冷却面板结构和热交换器面板结构冷却剂 , 箱外高温隔热层、低温隔热层、储箱壁等组成的复杂通道可以是小管或面板中的形槽面板材料可为 多层防热结构得到研究,一些半主动、主动冷却结构金属或金属基复合材料如,形槽材料可选 、, 得到探索,各种新型陶瓷、金属及其复合材料以至树合金一化合物而热交换器可选高导热材料如 ,。 脂基结构复合材料得到开发。石墨小管可由基合金制造 由简单系统布局向复杂多样化发展热管结构和材料 目前各类航天运输系统的防热系统布局基本上热管结构是通过热管将局部严重加热区的热量 、、, 是在最高温区采用烧蚀或热结构防热结构及材料,吸收汽化流向冷端排出并使冷凝的工质靠毛细 在较高温区采用陶瓷刚性防热结构及材料,在较低作用渗过管壁再返回严重受热区循环使用的一种半 。 温区采用陶瓷柔性防热结构及材料。但从今后发展被动半主动冷却防热结构热管结构一般是在基本 , 来看,首先,各温区所选结构和材料彼此竞争激烈,结构由或制成中装人难熔金属热管 ,, 如最高温区的与陶瓷基复合材料热结构,较高但也可以采用蜂窝面板结构利用蜂窝芯作为热管 、。 温区的陶瓷与金属防热材料隔热结构和较低温区的其工质可为液态金属如和 柔性瓷隔热毡与合金和一化合物及其复合烧蚀结构和材料 材料防热结构或热结构之争其次,近年来陶瓷柔性烧蚀材料是通过防热材料烧蚀发生化学反应产 , 隔热结构使用温度不断提高,已由原来的仅能在生气体在气流作用下带走气动加热严重区表面上 ,, ℃以下使用的柔性重复使用表面隔热毡的大部分热量而防热的一般只能一次使用如能在 发展到、等,最高使用温度可达℃以上飞船返回后磨去炭化层或重新进行修复以至更换防 ,。 最高达一刃℃,实际上已用于较高温区,热层也可使飞船多次重复使用烧蚀结构一般为 ,、、 从而打破了原来的防热系统布局,并提高了防热系多层结构由一或二层烧蚀层背壁结构隔热层组 ,。 统使用性能。成置于主结构之上美国双子星座飞船和阿波罗 , 由侧重地面试验向重视飞行验证发展飞船均采用低密度烧蚀材料前者为甲基硅橡胶 , 以往对用于航天运输系统的防热系统,往往偏一咒后者为石英纤维加酚醛小球浸渍酚醛 , 重于进行各种探索性或预先研究的地面试验,包括环氧树脂构成一后者具有更低的密 、。