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.     

分离式陶瓷基高温热疏导系统的耦合传热特性

对采用高温陶瓷基复合材料的高超声速飞行器分离式热疏导系统,建立了气动加热下 ,高、低热流区材料内导热－辐射与疏导通道内对流换热的耦合传热模型。采用控制容积法 结合蒙特卡罗法计算两区域陶瓷基复合材料内的导热－辐射换热,并与热疏导通道热平衡方 程耦合求解。通过模拟计算,分析了气动加热热流比、辐射散热面积比、材料光学厚度、导 热－辐射参数、对流－辐射参数对热疏导系统传热性能的影响。初步获得了提高分离式热疏 导系统传热性能的各参数调节规律。
     

再入航天器陶瓷拐角环防热计算与结构适用性分析

文章基于近地轨道及探月返回再入热环境,应用超高温陶瓷到再入航天器的典型防热结构,计算分析了再入过程中的防热结构温度场。利用温度场计算结果,再结合超高温陶瓷抗烧蚀性能以及结构设计与工艺性分析,就超高温陶瓷作为再入航天器防热结构的适用性进行了深入探讨。结果表明,由于超高温陶瓷的优良耐高温及耐烧蚀性能,在近地轨道及探月返回再入航天器防热结构上具有良好的应用前景。     

轻质烧蚀防热材料研究进展

航天飞行器的工作要求热防护材料具有轻质、高强、抗冲刷的特点,因此宇航材料的发展正在朝着低密度、高性能、耐烧蚀的方向发展。本文对轻质陶瓷隔热瓦、蜂窝增强低密度材料、纳米多孔气凝胶、酚醛树脂基低密度材料、弹性体材料、薄壁树脂基和碳基材料等轻质耐烧蚀热防护材料的发展及现状进行了综述,并对未来发展方向提出了展望。     

超高温材料—陶瓷及陶瓷基复合材料

本文评述了超高温材料——陶瓷及陶瓷基复合材料的发展、制造工艺及性能等,指出了进一步提高这类材料的高温力学性能的方向.     

超高温材料的研究进展

先进的超高温材料具有独特的综合性能,能够适应高超音速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境.综述了难熔金属、陶瓷基复合材料及炭-炭复合材料等超高温材料的研究和应用现状,分析了目前存在的问题,提出了今后的研究方向.     

高温燃气流超声速风洞扩压器热防护设计

为实现高热流环境下高温燃气流超声速风洞系统的重复使用,采用数值方法对扩压器热环境进行了分析,采用沸腾换热方法对扩压器进行了热防护设计,并通过试验验证了沸腾换热理论应用的可行性。结果表明,沸腾换热在水流速2m/s的情况下可实现热流2MW/m 2的热防护,应用沸腾换热可以有效降低设计难度,在较低的速度和压力损失下达到更好的换热效果。     

预旋结构对空间布雷顿循环涡轮盘表面换热特性的影响

针对空间核动力航天器涡轮盘表面温度过高和温度梯度较大的情况，提出了一种预旋涡轮盘冷却结构。采用数值模拟的方法对比分析了有无预旋2种冷却结构下的涡轮盘表面换热特性，研究了旋转雷诺数对换热效果的影响。计算结果表明:与无预旋结构相比，预旋结构可以有效地提高氦氙冷却气流与涡轮盘的对流换热系数，降低其表面最高温度和温度梯度，最高温降可达63.1 K。随着旋转雷诺数增大，涡轮盘表面最高温度降低，轮盘表面平均换热系数增大，采用预旋结构的表面平均换热系数比无预旋结构增大13.4%。     

RBCC发动机主被动复合热防护方案研究

随着对RBCC发动机研究的不断深入,热防护问题已经成为其走向工程应用的关键之一,本文针对RBCC发动机开展了热防护方案的研究。首先,采用数值模拟对RBCC发动机各模态下的热环境进行了分析;然后,进行了RBCC热防护方案的论证,认为目前材料和技术水平下全主动和全被动方案很难满足RBCC热防护的要求;在此基础上,提出了一种主被动相结合的复合热防护方案,并完成了复合热防护方案的设计。该方案内壁整体采用C/Si C陶瓷基复合材料,在受热比较严重的部位加装再生冷却模块,较好地解决了RBCC发动机冷却剂流量不够的问题。通过对方案的校核计算表明,该方案可满足长时间工作RBCC的热防护需要。     

主动冷却超燃冲压发动机最大工作马赫数评估

采用主动冷却方式对超燃冲压发动机进行热防护是解决其长时间工作的有效措施。针对超燃冲压发动机燃烧室恶劣的热环境,设计了一种基于碳化硅陶瓷基复合材料的主动冷却结构,建立了发动机主动冷却结构设计的数学模型。引入发动机冷却液流量系数,从飞行器整体热防护角度出发,以发动机燃烧室主动冷却结构中冷却液的出口温度为依据来评价超燃冲压发动机可以达到的最大工作马赫数,以及分析发动机冷却液流量系数、飞行高度和燃烧室化学反应当量比对最大工作马赫数的影响。结果表明,增加冷却液流量系数、适当降低飞行高度、一定范围内提高化学反应当量比,可降低冷却液出口温度,从而提高发动机的最大工作马赫数。     

超临界压力下航空煤油RP-3在水平细圆管内对流换热特性实验研究

为探究超临界压力下碳氢燃料在水平管内的对流换热规律,文章针对超临界条件下航空煤油RP-3在水平细圆管内的对流换热,分析了热流密度、进口雷诺数及浮升力对对流换热的影响。研究表明:沿流动方向,管内表面传热系数随热流密度的增大先减小后增大;在低进口温度及低进口雷诺数情况下,管内换热均出现先恶化后强化的现象,而随着进口温度和雷诺数的增加,此现象消失;浮升力对换热的影响随热流密度的增加而增加;浮升力对下表面换热的加强使得入口效应的影响在下表面先于上表面结束;受浮升力影响,上下壁最大温差可达50 K;质量流速的增加会抑制浮升力对换热的影响;准则数Grq/Grth可以很好地反映浮升力的变化趋势。以上研究结果可为采用碳氢燃料作冷却介质的各类飞行器主动热防护技术方案提供技术支撑。     

高超声速飞行器热防护结构参数优化及对比分析

高超声速飞行器对结构性能、热防护性能以及结构重量有很高的要求。为了获得最小的结构重量,文章从热防护的角度进行了优化分析:分别选择铝合金和先进复合材料作为蒙皮,在不同的热载荷条件下,对多种热防护结构（TPS）建立一维传热模型,并进行了结构尺寸优化,得到了单位面积TPS的最小重量;分析飞行器再入过程中的温度载荷、再入时间以及蒙皮材料可承受的最高温度对热防护结构最小重量的影响。ANSYS仿真分析结果表明:温度对TPS的单位面积最小重量有显著影响,LI900刚性陶瓷隔热瓦和先进金属蜂窝夹层防热结构有重量优势;采用复合材料蒙皮的TPS可使重量大幅减轻;飞行器再入时间和再入初始温度对刚性陶瓷隔热瓦重量的影响大于对金属盖板式隔热结构。     

预冷发动机氢氦PCHE通道换热与热应力数值分析

基于高超声速预冷发动机闭式氦布雷顿循环中印刷电路板换热器(PCHE)的应用,对PCHE氢氦通道的热固耦合特性进行了数值研究,着重阐述了热侧氦参数对换热的影响机制。探究了热侧壁温和换热系数的变化特征及其对冷侧换热的影响。考察了通道截面温度和湍动能的分布情况。通过熵产和综合换热系数评价了PCHE通道的性能,进行了通道热应力分析,建立了热侧和冷侧换热关联式(误差在±15以内)。结果表明:热侧压力对换热仅有微弱影响;热侧流量提高对热侧和冷侧换热均有增强作用。热侧进口温度下降导致热侧和冷侧换热减弱;热侧进口温度提高造成通道熵产显著增加,热侧流量增加造成通道熵产显著减小;高热应力出现在冷热流道之间和壁面两侧,局部最大热应力达到25 MPa。     

沸腾换热在水卡式大热流传感器研制中的应用

为了实现MW级热流环境的长时间稳态测量,研制了一种新型结构的水卡式大热流传感器。该传感器采用U型水冷通道结构,基于沸腾换热理论进行换热设计,设计量程5~15 MW/m~2。在高温超声速燃气流试验台上进行了热流测试试验,实际测试量程3~25 MW/m~2。沸腾换热理论的应用可以在较小的水流速下实现MW级热防护,大大降低了设计难度。新型结构传感器相对传统的中心冲击结构换热效率更高,可实现的量程范围更大。     

陶瓷基分子吸附器的航天器污染控制性能试验研究

为验证陶瓷基分子吸附器利用多孔材料的吸附性能降低航天器一定区域内污染水平的能力,试验研究真空环境中13X分子筛材料的分子污染物吸/脱附特性,以及以13X分子筛为吸附剂的陶瓷基分子吸附器对航天器用电缆放气产物的吸附性能。试验结果表明:13X分子筛可以有效捕获污染物分子,陶瓷基分子吸附器的吸附能力在3.1×10-2～3.4×10-2 g/cm2之间。陶瓷基分子吸附器可以应用于航天器热真空试验和在轨运行时的污染控制,有利于延长航天器寿命、提高航天器可靠性。     

倾角对含油工质冷凝换热影响的实验研究

随着航天器热控制的发展,蒸气压缩热泵排热系统等热控方式逐渐受到人们的重视,其中冷凝换热对热泵的性能好坏有重要的影响。为了研究重力场对冷凝换热的影响,将紫铜直管冷凝器置于蒸气压缩热泵系统中,通过改变重力场与流动方向的夹角,测量得到了不同倾角下的冷凝换热系数和压降。实验结果表明,倾角对直管内冷凝换热系数的影响较大,不同倾角下的换热系数差别达30%,远大于不同倾角对直管内蒸发换热的影响;压缩机润滑油对冷凝换热的影响也很大,相比较无润滑油冷凝换热系数低30%以上。随着质量流量的增加,压缩机润滑油的影响逐渐减弱。
     

炭/炭复合材料表面金属功能涂层研究进展

炭/炭复合材料作为结构功能一体化材料使用,面临着自身及其与其他材料之间的连接、抗氧化抗热震涂层以及抗等离子溅射侵蚀涂层问题。系统介绍了表面金属功能涂层在炭/炭复合材料连接、超高温抗氧化抗热震涂层、高热载荷下抗等离子溅射侵蚀涂层上的应用,分析了金属功能涂层的失效原因,讨论了提高金属功能涂层性能的途径,指出新型钎料与接头抗振动抗疲劳性能、涂层显微结构控制与全温域防氧化抗热震、界面稳定化理论方法与新型界面层材料以及金属功能涂层原位自生防护和拓展应用领域是炭/炭复合材料表面金属功能涂层的发展趋势。     

临近空间飞艇内部自然对流换热计算研究

综合考虑太阳辐射、长波辐射、对流换热等热环境因素对临近空间飞艇热特性的影响,建立飞艇热特性的数学模型,编写程序并计算得到蒙皮表面温度分布。以此作为热边界条件,采用Fluent软件模拟其内部自然对流的流动状态和温度分布,对不同季节不同时刻飞艇内部自然对流换热系数进行了计算分析,并对四个自然对流经验公式进行了评价分析。结果表明,Eckert-Jackson和Bayley公式更适用于计算浮空器内部自然对流换热,与数值模拟结果相比,平均绝对误差（MAD）分别为22.6%和24.1%。     

几何结构对尾缘层板气膜冷却特性的影响

将层板冷却结构用于叶片尾缘叶盆侧,通过数值模拟改变冲击孔和扰流柱的排布,唇板厚度以及缝宽,研究其对劈缝气膜冷却的影响。结果表明,冲击孔和扰流柱位置的改变,对外部劈缝下游气膜冷却基本无影响;唇板厚度的改变对冷却效率和换热系数分布均有一定影响,唇板厚度减小,劈缝下游冷却效率降低,换热系数增大,相对于原始结构,唇板的改变使得劈缝下游气膜展向平均冷却效率提高65.0%;缝宽的改变对冷却效率和换热系数分布均有较大影响,缝宽越大,冷却效率越高,劈缝下游换热系数减小,劈缝间下游换热系数增大,相对于其他几种结构,缝宽增加劈缝下游的冷却效果最好,展向平均冷却效率最多提高116.5%。     

充气式再入与减速系统用柔性热防护材料高焓风洞试验研究

为考察充气式再入与减速系统用柔性热防护材料的真实性能,文章根据前期的技术基础和各材料的技术参数,确定了柔性热防护材料的结构组成,并研制了热防护材料试验件进行高焓风洞试验。结果表明:所研制的材料能够承受热流密度为25 W/cm~2、持续时间最长达300 s的高温环境;Nextel氧化铝织物作为防热层在超过1200℃下能够有效阻隔热流;无机隔热毡起到了有效的隔热作用,可确保内部Kevlar织物处于250℃以下的环境中。材料满足一定的轻量化要求,试验后整体力学性能稳定,热防护性能不受折叠和缝纫工艺影响。