可重复使用热防护材料应用与研究进展

可重复使用热防护系统是为高速重复使用飞行器而发展的关键性技术,涵盖了地球大气环境及非地球大气环境下的弹道式再入、高马赫数巡航等应用场景。根据现有高马赫数飞行器热防护现状,对高马赫数飞行器的主要热防护系统类型、特点和使用场景进行了简要介绍。在此基础上,结合国外里程碑式可重复使用飞行器（X-15、SR-71、航天飞机、X-33、X-37B、Spaceliner等）,梳理了可重复使用热防护材料的应用与研究进展,论述了代表性可重复使用热防护材料的发展、性能、研制进度、特点及应用前景。对国外在可重复使用热防护材料研制中的设计及发展思路,以及所存在的主要问题进行了总结归纳,为可重复使用热防护材料未来的发展提供了思路。     

可重复使用热防护系统设计要求与设计方法浅析

对高速飞行器可重复使用热防护系统的设计方法进行研究,综合分析了国外热防护系统设计思想及设计准则的发展演变,总结了国外热防护系统定尺寸分析方法,指出高超声速飞行器热防护系统设计中应考虑的关键问题,对可重复使用热防护系统的设计有一定参考意义。     

工艺参数对轻质热防护组件胶接装配性能的影响

可重复使用运载器采用轻质热防护材料和应变隔离垫作为飞行器的热防护系统,轻质热防护组件通过硅橡胶胶黏剂粘接至碳纤维复合材料蒙皮表面。为提高可重复使用飞行器轻质热防护系统粘接质量,通过实验方法研究了加压压力、加压时间、表面处理方式等对轻质热防护组件与碳纤维复合材料的粘接强度的影响。结果表明：轻质热防护组件与碳纤维复合材料的粘接强度随加压压力的增大而增大,随加压时间的增长先迅速增大,当加压时间超过7 h时缓慢增大;打磨或涂处理剂表面处理方式均能提高粘接强度,同时施加两种处理方式时提高粘接强度大于52%。     

高超声速气膜冷却技术研究进展及发展方向

随着飞行器速度的进一步提高以及对可重复使用飞行器的需求,高超声速气膜冷却技术已经成为航空航天技术发展的热点问题。开展高超声速飞行器主动气膜冷却技术研究,对于解决高超声速飞行器面临的热防护问题,突破防热技术瓶颈,有十分重要的意义。本文在对主动冷却热防护技术原理、分类及其机制进行系统研究的基础上,从实验研究和数值模拟两个维度,对二维槽缝气膜孔工艺、离散气膜孔工艺和高超声速逆向喷流技术等高超声速气膜冷却技术以及影响气膜冷却效果的因素的研究现状进行了梳理和分析,进而提出了高超声速气膜冷却技术的防热材料研制、材料制备工艺、多气膜孔特性实验研究、逆向喷流气膜孔冷却技术实验验证等研究方向。     

一种可重复使用天地往返升力体飞行器概念及其气动布局优化设计研究

通过调研和梳理国内外可重复使用天地往返运输系统的方案、任务剖面、气动布局、气动特点以及飞行性能等发展情况,综合使用二次曲线方法与基于类型函数和形状函数的CST方法,提出一种具有较好的继承性和可持续自主创新发展的新型的可重复使用天地往返升力体飞行器概念(FL-T1)。通过对其进行全速域的升阻特性、压心与质心布置、稳定性分析等,全面掌握了该升力体布局的气动特性。通过对该布局控制舵的匹配设计,研究了飞行器的操纵效率问题。通过多目标优化设计的思想,发展和完善了多目标优化计算方法和软件。针对本文提出的可重复使用天地往返升力体飞行器概念(FL-T1),开展了考虑气动力/气动热综合的多目标优化,获得了性能较优的优化布局。研究表明,该新型气动布局概念具有较大的高超声速配平升阻比、较好的减速特性、可接受的气动热环境、较好的高超声速稳定性和气动控制效率,可以作为未来可重复使用天地往返飞行器的潜在可行方案。在综合性能上,通过本文发展的多目标优化软件优化获得的一系列气动布局方案较初始气动布局,在所关注的方面均有显著的改进,可作为一系列备选方案供设计者选择。     

Ma4-6级别临近空间飞行器材料体系研究

介绍了Ma4～6级别临近空间飞行器飞机表面瞬态温度的计算方法及表面温度分布;阐述了热防护系统的分类及其特点;重点讨论了高马赫数临近空间飞行器对材料的使用要求,以及满足Ma4～6级别临近空间飞行器热防护要求的材料体系方案;提出高马赫数临近空间飞行器的热防护材料发展建议。     

新型轻质热防护复合材料的研究进展

针对未来深空探测飞行器对轻质复合材料的需求,总结了国内外航天防热复合材料的最新研究进展,提出了飞行器轻质热防护复合材料和充气式再入减速器热防护复合材料的设计、制备、考核和评价方法。重点介绍了两类新型轻质热防护复合材料设计、纳/微米结构调控和极端环境考核的阶段性研究成果,揭示了服役环境-结构设计-材料制备-性能评价-系统集成的相关性,为我国载人航天复合材料与结构的快速发展提供技术支撑。     

1 500℃极端高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料热/振联合试验

远程高超声速飞行器处于极为恶劣的气动加热与振动耦合环境中,长时间的高温与振动载荷相互叠加会导致飞行器热防护材料出现裂纹、错位、剥离或脱落,甚至会引发致命的安全事故。因此热防护材料在极端高温环境下的地面热/振联合试验测试,对于高超声速飞行器的安全可靠性设计极为重要。建立高温与振动复合试验环境,设法解决轻质多孔隔热材料在强振动下,表面温度难于准确测量与控制的难题,制作水冷式隔热装置保护价格昂贵的振动激励设备等,实现了1 500℃高温环境下高超声速飞行器轻质隔热材料的热/振联合试验。得到非金属隔热材料陶瓷纤维板内部的断裂形貌及裂纹断面特征。根据试验前、后材料的表观及微观变化以及内部结合剂的变化等试验结果,对材料进行改进。经过试验测试后,达到了使用要求。本文建立的1 500℃极端高温环境下的热/振联合试验系统及试验结果为远程高超声速飞行器热防护材料的抗振动能力评估、隔热效果确定以及材料性能的改进提供了重要支撑。     

热防护材料表面催化特性研究进展

随着高超声速飞行器的发展,高焓离解环境下热防护材料所承受的气动热载荷在很大程度上受到材料表面催化特性的影响。根据高焓服役环境特征和热防护材料表面催化特性的发展现状,重点综述了材料表面催化反应机理和不同尺度的催化模型,分析、比较了催化特性地面测试与评价方法以及典型热防护材料表面催化特性的影响因素,简要总结了国内现阶段相关催化特性研究的初步成果,并在此基础之上提出了催化特性测试与表征方法的不足和后续研究的重点方向,为有效改进热防护材料表面催化特性试验测试技术、准确预测高超声速飞行器气动热环境,从而实现热防护系统的精细化设计提供指导。     

高焓化学非平衡流条件下C/SiC复合材料的催化性能

碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）成为最有希望满足临近空间高超声速飞行器热防护要求的耐高温关键材料之一,其在高焓化学非平衡流条件下的催化性能是评估新一代高超声速飞行器表面气动热载荷,热防护系统精细化设计的关键参数。基于1 MW高频等离子体风洞,采用已建立起的防热材料催化特性试验测试方法开展了C/SiC材料在驻点压力分别为1.0、1.8、3.3和6.0 kPa,焓值为19.3~35.9 MJ/kg范围内的高焓离解空气环境下,在表面温度为1 453~2 003 K范围内的表面催化反应复合效率随表面温度和表面原子压力的变化关系研究。试验结果表明：C/SiC材料在高温条件下的表面催化复合效率应该同时被定义为表面温度、驻点压力和原子分压的函数。根据试验所得到的催化数据,计算了采用C/SiC作为钝头体材料的美国某典型飞行器（飞行高度H=73 km,飞行速度U=6.478 km/s,钝头体半径R_n=410 mm）的气动热环境参数,获得了考虑完全催化和有限催化条件下飞行器表面温度变化历程,结果进一步验证了飞行器热防护系统所承受的气动热载荷以及表面温度响应在很大程度上受到防热材料表面催化特性的影响。     

飞行器用热防护材料发展趋势

综述了飞行器热防护材料的发展历史,重点介绍了典型非烧蚀热防护材料体系,并根据新型飞行器对于热防护材料的需求,对未来热防护材料发展趋势进行了分析。     

航天飞机热防护用柔性绝热毡

由于对航天飞机轨道飞行器用先进的可重复使用的柔性的绝热材料进行了广泛的实验和大的改进,这种新材料已随时可以装配在轨道器OV-103上。 此种热防护材料不同于轨道器初期使用     

Micro-X概念验证机热防护系统研究进展

简述了国外可重复使用运载器的研究现状及发展趋势，详细介绍了美国下一代可重复使用运载器Micro—X概念验证机的热防护材料及设计。     

可重复使用飞行器用低密度烧蚀防热涂层研究

通过简便、高效的方法合成了硅氮化合物,以此为固化剂,分别完成了轻量化组元和烧蚀维形组元研究,最终获得了热稳定性优异、高温下尺寸稳定性高、抗烧蚀性能好的可重复使用飞行器用低密度防热涂层。结果表明,该防热涂层经过有限次静态烧蚀,密度、质量保留率均趋于稳定,力学性能能够满足使用需求。涂层经过高达10次石英灯烧蚀考核,防隔热性能无下降;经过5次风洞烧蚀考核,防热涂层抗烧蚀、防隔热性能无下降,进一步证明该种防热涂层经过有限次重复使用,仍能够对飞行器起到良好的热防护作用。     

高超声速飞行器结构热问题讨论

热防护设计是高超声速飞行器结构设计中的一个关键问题.从高超声速飞行器的特点出发.分析介绍了热载荷的成因及特点;讨论了飞行器热环境的一些计算方法;分析研究了目前高超声速飞行器的各种热防护系统结构,其中,对被动热防护结构的特点及应用情况进行了较详细的研究对比;分析说明了高超声速飞行器结构热防护的发展方向.     

可重复使用航天器的热防护系统概述

叙述了可重复使用航天器的热防护系统设计原理,介绍了各种航天器防热材料和3种热防护系统;结合国外热防护系统的典型应用,对我国热防护系统的发展提出了几点建议。     

金属热防护系统的研究进展

简述国外几代金属热防护系统的发展概况，并论述金属热防护结构的组成特点，对金属热防护系统与其他传统热防护系统的优缺点进行比较，指出金属热防护系统必将是各种类型可重复使用航天飞行器大面积防热的最佳选择。     

高超音速飞行器热防护材料技术分析

热防护材料是高超音速飞行器的重要设计内容,是其在热环境中保持结构完整性的关键因素。随着高超音速飞行器航程和速度的不断增加,热防护材料表现出越来越重要的作用。为了更好地使用热防护材料,简要介绍了热防护材料使用的环境和要求,以及一些飞行器常用的热防护材料,并针对热防护材料的工程应用进行了论述。     

热防护设计分析技术发展中的新概念与新趋势

热防护材料/结构是实现临近空间飞行器高速飞行的一项关键技术,近年来一些新的设计与分析方法不断涌现。本文对这些新的设计与分析方法进行了论述,综合分析后可以看出:热防护材料设计开始从原子、分子尺度出发,根据使用需求设计材料,并发展主动防护与控制环境技术;热防护结构设计在原有防热/承载一体化设计基础上,向多元化以及多功能一体化方向发展,同时积极发展新机制热防护概念设计;热防护分析方法更加注重复杂真实服役状态下多尺度、多物理场及非确定性的精细化分析。这些新概念和新技术有望给热防护技术带来革命性的进步。     

C/C复合材料与高温合金GH600之间高温接触热阻的试验研究

 在高超声速飞行器翼前缘的热防护技术方面,采用内置高温热管是一种新型高效的热防护方法,其中C/C复合材料结构与内置高温热管之间的界面接触热阻对传热效率及热力耦合起着至关重要的作用。本文自主搭建了一套高温接触热阻试验平台,并针对三维编织C/C复合材料与高温合金GH600在不同界面应力、界面粗糙度及界面温度下的接触热阻进行了试验研究。研究结果表明本平台在进行高温接触热阻试验研究上是切实可行的,利用该试验平台得到了三维编织C/C复合材料与高温合金GH600之间接触热阻的变化规律,有关结果可以为中国新型内置高温热管热防护结构的设计及安全评估提供参考。