航天器可重复使用热防护技术研究进展与应用

新一代可重复使用飞行器对热防护系统提出了更高的要求,对于发展高超声速技术而言,可重复使用热防护系统设计至关重要,同时也面临着最困难的技术挑战。文章总结了可重复使用热防护系统可用的新型防热机制,综述了可重复使用航天器所采用的热防护系统的发展状态及典型飞行器应用现状,并阐述了新一代可重复使用热防护技术在设计与分析方法、验证与评价手段以及新型热防护材料等几个方面所面临的挑战。文章有助于更好的理解未来的高超声速飞行器发展中可重复使用热防护技术的发展方向。     

一种热平衡等温机制的新型热防护及相关技术

给出了一种适用于高超声速飞行器热防护的新概念——疏导式热防护,其基本理论是利用热平衡等温机制,使防热层趋于一等温体,实现热负载平衡。针对这一概念,进行了较为系统的研究,包括原理、分析方法、实现疏导式热防护的关键技术。研究结果表明,疏导式热防护技术可有效地减少高热流区的温度和热应力,是一种有效的非烧蚀热防护技术。     

火箭电气系统电缆网热防护研究

简要介绍了箭上电气系统电缆网热防护技术应用现状，阐述了一体化热防护研究的必要性，提出了轻质电缆网的芯线、绝缘层、屏蔽层、插头和热防护层有效集成的总体方案。研制热防护材料，确定热防护层结构，试制一体化热防护电缆网，模拟热环境试验，研究表明：一体化热防护电缆网满足结构减重与轻柔、可靠性提高和总装周期缩短等总体指标要求。     

一体化热防护技术现状和发展趋势

防隔热/承载一体化热防护的结构承载功能使其比传统热防护具有更高的结构效率。近年来,已经发展了波纹夹芯一体化热防护及改进方案、刚性隔热夹芯一体化热防护、多层级一体化热防护等多种一体化热防护概念。首先介绍了各方案的结构特征,分析了各方案的热短路效应和结构承载性能。阐述了一体化热防护等效性能分析与热力耦合响应高效分析方法。介绍了热力耦合约束下一体化热防护的结构尺寸优化与材料优选方法。论述了一体化热防护非确定性分析与设计方面的研究进展。在此基础上,总结了一体化热防护发展的特点和不足,探讨了一体化热防护的发展方向。     

先进的热防护方法及在飞行器的应用前景初探

随着航天技术的发展,飞行器的热环境面临着新的变化,对热防护提出了挑战。对各类主动热防护方式的原理、研究进展和应用现状进行了归纳总结。结合飞行器未来发展,提出了适应于未来应用的基于相变工质的对流冷却、自适应膜相变冷却和发汗冷却的系统性主动热防护方式。并以此为基础,提出了结合被动、半被动和主动热防护的飞行器全时域综合热管理思路。     

火星进入器气动热环境模拟及热防护试验综述

文章简述典型火星进入器所面临的气动热环境，阐明在火星大气CO₂介质下进行试验的重大需求以及建立火星热环境模拟及热防护试验方法的必要性；并对国内外进行的相关火星进入器热防护工程性和研究性试验进行综述，指出研究空气和CO₂介质下的电弧加热器运行特性将对火星热防护试验提供必要的支撑，CO₂介质下防热材料催化特性研究和先进测试技术（如TALIF、OES、HSC等）是未来发展的方向。     

航天器热防护材料的发展概述

文章简要介绍新型航天器的热防护材料的发展概况,重点介绍国内外碳/碳复合材料、超高温陶瓷材料、陶瓷基复合材料及新型隔热材料等热防护材料研究工作及其在飞行器上的应用,并对防隔热材料的发展趋势作简要评述.     

SCAT弹头热防护的简化计算方法

本文对自适应发汗冷却（ＳＣＡＴ）弹头的热防护问题作了简化分析，并导得了热防护计算的简化计算公式。对铊，铟，锡和水四种冷却剂的情况，给出了算例。本文导行的公式，计算较简便，可作为弹头热防护设计的一种工程计算方法。这种工程计算方法亦可以用于地模拟实验前的予算。     

含相变材料热防护结构一体化设计与试验

利用相变材料储热密度大、比热容高等优势，设计了一种含相变材料的新型一体化热防护结构(PCM-ITPS)，并通过数值计算分析了其隔热特性。结果表明，在一体化热防护结构底板处铺设相变材料可吸收热短路效应导入的过量热载，改善结构的隔热性能。然后设计并制备PCM-ITPS试验件，通过隔热性能测试试验对结构隔热特性进行验证。在此基础上进行热应力分析验证其承载性能，并以结构参数为设计变量，隔热和承载性能要求为约束条件，实现了PCM-ITPS结构的轻量化设计，优化后PCM-ITPS方案相对传统ITPS方案减重23.35%。以上工作为促进热防护系统的设计-制造一体化进程提供必要的理论储备与技术支持。     

高超飞行器表面热效应地面模拟实验研究

文章深入分析高超飞行器与临近空间大气相互作用的基本物理过程,激波加热及粒子碰撞产生等离子体的物理机制,并利用磁热屏蔽效应在高超飞行器模拟器与高速定向流间建立磁化等离子体鞘层,大幅降低中性激波气体向飞行器的能流传递,从而为高超飞行器提供有效的热防护作用。通过两次比对实验验证了磁热屏蔽效应的有效性及工程实施的可行性,为今后研制高韧性、超轻质、可重复使用热防护复合材料提供了实验数据,奠定了技术基础。实验中利用层流等离子体源作为高能流密度热源是热防护实验装备上的创新,层流等离子体源能流截面大、能流密度高,可以针对高超飞行器表面热效应进行全尺寸的模拟实验。     

HFC134a喷雾闪蒸冷却换热特性的实验研究

喷雾闪蒸冷却由于可以在较小的工质流量下实现很高的散热能力,在高热流密度散热、航天器热控和热防护等领域具有广阔的应用前景。本文建立了喷雾闪蒸冷却实验系统,对环境压力下以HFC134a为工质的喷雾闪蒸冷却换热特性进行了实验研究,得出了喷雾闪蒸冷却的换热特性曲线、临界热流密度(critical heat flux,CHF)以及被冷却表面温度随喷雾高度和流量的变化曲线,分析了适用于热控的最佳喷雾高度和流量。     

航天飞行器热防护系统的一体化设计

航天飞行器进入大气层时经受强烈的气动加热,需借助于热防护系统以保护其免受气动热的伤害;飞行器机翼前缘和鼻罩是最高温区,该处的温差相当大,热防护措施尤其重要。作为热防护系统一方面要抵抗强热的冲击,另一方面要最大限度地减少气动热传入结构的内壁,这就对防热系统所用材料提出不同的要求。抗热冲击要求材料质密而隔热但又要求质轻,这就是矛盾所在。随着复合材料的发展,这对矛盾可以通过利用不同材料特性把防热系统分层来解决,从而导致一体化设计的概念和方法。本文利用热传导理论对两层结构的防热系统进行一体化设计分析。     

热管技术在航天器热控制中的应用

热管技术在航天器等温化、热传递、散热和仪器设备热控制等方面具有广泛应用。文章介绍了热管的工作原理、分类及热控制应用考虑的因素;评述了热管技术在国内外航天器热控制中的应用进展;指出了热管技术进一步发展的方向。发展新型热管和提高热管传热能力将是今后热管技术的研究重点。     

多层隔热材料传热特性研究现状及展望

研究多层隔热材料的传热特性是进行航天器热控设计的基础。文章首先介绍了多层隔热材料的分类和应用情况,及其传热方式和隔热性能表征方法;然后评述了多层隔热材料传热特性和空间环境适应性的研究状况,总结了相关研究方法、热分析模型与研究得出的基本认识;最后,提出了多层隔热材料热特性的进一步研究方向。     

回路热管工作温度的控制方式

对比传统直热管,回路热管具有启动迅速、传输距离远、热量大、温差小等优势,但在实际应用中,如在航天器热控、电子元器件散热等场合,又会对回路热管工作温度的精确控制能力又提出新要求。对此要求,文章主要介绍几种目前已经使用以及研发中的回路热管工作温度的主动控制方式,并且比较了它们各自的优缺点。     

航天器热传输技术研究进展

文章对航天器用热传输技术近期的发展进行了汇总,主要包括：导热材料、微小型热管、槽道热管、泵驱动两相流体回路、深冷环路热管、喷雾冷却系统以及基于MEMS技术的微型热传输技术。这些新技术是航天器高热流密度散热、大功率热传输、分散点热源散热及深低温热传输未来主要的解决途径,可供航天器热控研究及设计者参考。     

辐射器展开角度对航天器热控能力影响的研究

为了在有限的结构尺寸下提高航天器热控系统的散热能力，提出与流体回路耦合的可展开式辐射器热控方案，建立可展开式辐射器空间散热模型，分析辐射器不同展开角度下系统的热控特性。结果表明，随着辐射器展开角度的变化，辐射器吸收的空间热流也随之发生变化，并最终决定热控回路的流量分配。在工程应用中，基于热控流体回路，通过调节可展开式辐射器的展开角度，可以有效提高航天器热控系统的能力范围。     

可展开式辐射器热控对航天器轨道调整的适应性分析

为提高航天器热控系统对轨道调整的适应能力，本文研究了与流体回路耦合的可展开式辐射器热控方案在不同轨道高度下的热控性能，分析了不同轨道高度时辐射器面临的热环境的影响，在不同轨道高度下比较了固定辐射器与可展开辐射器的热控特性。结果表明，随着辐射器展开角度的变化，辐射器吸收的空间热流随之发生变化，从而对热控系统的散热能力带来直接影响，调节辐射器的角度可以扩大其对外散热能力。在工程应用中，基于热控流体回路，通过调节可展开式辐射器的展开角度，可以有效提高航天器的轨道热适应能力。     

热屏绝热型热流计可行性分析

热平衡试验是航天器热控设计的重要环节,外热流模拟和测量是热平衡试验的两个关键因素。两者的不准确将给热平衡试验带来不可预估的影响。因此热流测量技术是热平衡试验的关键技术之一。目前使用的热流计测量低热流密度时存在较大误差,为此研制一种高精度热流计——热屏绝热型热流计来测量热流。该热流计主要包括敏感面和热屏两部分。敏感面用来测量热流,热屏则为敏感面提供一个绝热环境。其关键技术是在热屏和敏感面充分隔热的基础上,采用跟踪控温的方法使热屏和敏感面的温度相同,从而使两者之间的热交换可以忽略。文章利用热分析计算分析了该热流计其敏感面和热屏的等温性能满足热流测量要求;并利用试验证明了跟踪控温技术可行,热屏和敏感面温度一致,从而说明了该热流计测量热流的可行性。