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。     

轻质碳-酚醛防热材料缺陷类型及影响分析

文章研究了一种新型的烧蚀防热材料——纤维增强纳米多孔轻质耐烧蚀材料的缺陷类型及形成机理。通过对材料的成型工艺、力热性能以及微观结构形貌状态的研究,确定了材料成型过程中可能形成的缺陷类型及其对产品力热性能的影响,并给出了材料的检测方法及合格判据。所得结果可为其他大尺寸整体成型的纳米增强防热材料产品提供检测依据。     

硼酚醛树脂/丁腈橡胶烧蚀材料性能研究

探讨了硼酚醛树脂/丁腈胶烧蚀材料体系的烧蚀机理,并详细研究了硼酚醛树脂含量对烧蚀材料烧蚀性能、力学性能和加工性能的影响。结果表明,硼酚醛树脂可以显著提高烧蚀材料的耐烧蚀性能,同时对材料的拉伸强度和断裂伸长率有相反的影响,并对胶料具有延迟硫化作用。     

C/C组合喉衬烧蚀试验方法及微观形貌对比

发展了一种C/C组合喉衬的烧蚀试验方法,采用该方法对C/C原始材料和经过热化学烧蚀后的C/C材料进行含铝工况试验,对比研究粒子对C/C材料表面微观形貌的侵蚀作用。试验表明,该方法能准确反映材料的实际烧蚀性能,确保对比材料烧蚀性能是在同工况下进行,也适用于各类不同喉衬材料的烧蚀性能对比。研究认为,热化学烧蚀起主导作用,有无粒子侵蚀对C/C材料烧蚀率的影响不大;粒子侵蚀对收敛段区域微观形貌影响最为严重,1号试件纤维单丝最尖锐,3号无锥尖形貌,2号呈圆台形貌,喉部区域无铝工况的纤维单丝比含铝工况尖锐;组合喉衬2号和3号因材料表面粗糙度的不同,造成微观形貌和烧蚀率差异,说明经烧蚀后的C/C材料再次烧蚀,其性能大幅下降,材料表面粗糙度越大,烧蚀率越大。     

有机硅烧蚀材料的发展

本文介绍了有机硅及其烧蚀材料的发展,以及它们的高温热降解和烧蚀机理研究状况,并展望了有机硅烧蚀材料的发展前景。     

影响纤维/橡胶材料烧蚀率的因素初探

研究了纤维含量及纤维取向方向、烧蚀时间对纤维/橡胶材料烧蚀率的影响,发现立式制样工艺下材料的烧蚀性能明显好于平行制样工艺,随耐热纤维含量增加,材料的烧蚀率降低。烧蚀过程中,随烧蚀时间延长,材料的线烧蚀率和质量烧蚀率降低。     

低密度碳/酚醛复合材料的制备及其性能研究

以降低传统碳/酚醛复合材料密度为目的,在对复合材料密度进行理论分析计算的基础上,采用在酚醛树脂中添加轻质填料的方法制备低密度碳/酚醛复合材料,按照正交实验法对轻质填料含量以及复合材料制备工艺参数进行分析与优化。结果表明,分别采用聚丙烯腈基碳纤维和粘胶基碳纤维作为增强材料,研制的碳/酚醛复合材料的密度分别为1.339 g/cm~3和1.211 g/cm~3,拉伸强度分别为294 MPa和131 MPa,剪切强度分别为15.0 MPa和14.7 MPa,室温热导率分别为0.215 W/(m·K)和0.476 W/(m·K),200℃热导率分别为0.340 W/(m·K)和0.599 W/(m·K),氧乙炔线烧蚀率分别为0.011 mm/s和0.030 mm/s,复合材料密度降低的同时,其他性能满足固体火箭发动机喷管烧蚀防热材料的使用要求。     

碳/碳材料体积烧蚀实验研究

通过实验手段研究了体积烧蚀在材料内部造成的微结构演变情况。给出了材料微结构沿烧蚀轴线方向的分布规律。研究了体积烧蚀对碳／碳材料烧蚀性能的影响。结果表明：服役条件下碳／碳材料发生体积烧蚀会使材料内部的密度、石墨化程度等发生变化，这些微结构变化对材料整体烧蚀性能的影响存在复杂的耦合效应。体积烧蚀对碳／碳材料整体烧蚀性能的影响并不总是消极的，在一定条件下反而有利于材料烧蚀性能的提高。通过本文的研究能够有效的提高碳／碳材料的烧蚀性能理论预测的精度。     

石墨渗铜材料的烧蚀模型探索

根据石墨渗铜材料的特点,探索了它的烧蚀和传热模型。认为烧蚀计算可以不考虑铜与燃气的化学反应;导热计算按铜的液相、熔化、固相三层进行.在碳基材料热化学烧蚀模型和移动边界下当量热容瞬态导热方程隐式求解的基础上,对于石墨渗铜喉衬的复合结构全喷管进行了考虑粒子侵蚀下烧蚀与传热耦合的计算.     

C/SiC材料主被动氧化烧蚀机理及计算方法研究

基于热化学平衡方法建立了任意比例C/SiC材料的主被动氧化烧蚀模型，开展了C/SiC材料氧化烧蚀机理的计算研究，并基于典型材料烧蚀试验结果进行了充分验证。计算结果表明，C/SiC材料的氧化烧蚀特性取决于表面温度、氧分压以及组分等因素，可能会出现主动氧化和被动氧化两种破坏机制，目前的烧蚀模型能够预测出任意比例C/SiC材料两种氧化烧蚀机制的转换过程；SiC含量对C/SiC材料的氧化烧蚀特性有明显的影响，随着SiC含量的提升，主/被动氧化转换临界分压会减小，材料的抗氧化性能越好；但当材料均处于主动氧化阶段时，SiC含量越高材料的无量纲烧蚀速率越大，材料的抗烧蚀性能减弱。     

小型星载红外相机的研制

随着现代航天技术的发展 ,传统卫星开始向质量轻、体积小、任务单一、成本低廉、研制周期短、风险小、能快速灵活发射的微小型卫星发展 ,相应的对有效载荷也提出了微小型化的要求。作为有效载荷的重要部分 ,红外相机的微小型化更是有效载荷小型化的重点和难点。文章对小型红外相机的发展方向进行了论述 ,对红外相机的各个组成部分的小型化发展作了详细的介绍。     

可重复使用运载器复合材料低温贮箱应用研究

轻质高强度低温贮箱是发展可重复使用运载器（RLV）的关键技术之一。本文论证了聚合物复合材料作为低温贮箱材料的必要性和可行性,介绍了复合材料低温贮箱的研制现状,对聚合物基体和纤维选择、设计技术、复合材料的成型及其性能测试等进行了探讨,指出了复合材料低温贮箱的发展趋势,并就我国复合材料低温贮箱的发展给出了建议。     

国外新型热管式空间辐射器研究进展

热管式空间辐射器（HPR）具有良好的传热及抗碎片撞击性能,是最有应用前景的空间辐射器之一。文章对国外（主要是美国）热管辐射器研究进行了调研,重点介绍了单槽道热管辐射器、轻质可控热管辐射器、高温热管辐射器以及用于卫星精密热控的热二极管辐射器等4种新型热管辐射器的研究现状,包括研究机构、目的、研究的主要方法及成果等,并简要...     

碳化材料三维烧蚀热响应有限元计算研究

针对碳化烧蚀热防护材料三维温度场计算问题进行了研究。采用弹簧松弛法模拟防热层表面后退运动,应用化学反应动力学模型描述材料内部热解过程,内部温度场计算模型考虑了防热材料的热传导、热解吸热、热解气体在碳化层内的流动以及热解气体与碳化层之间的热交换。对控制方程采用有限元方法进行离散,时间方向采用Newton-GMRES隐式迭代推进求解。将计算结果与经典程序的计算结果及实验数据进行了比对,初步验证了计算方法的可靠性,并通过球头算例展示了程序对三维问题的良好处理能力。     

IKAROS太阳帆的关键技术分析与启示

分析了国外太阳帆的发展现状,重点论述了世界上首次成功飞行的太阳帆——太阳辐射驱动星际风筝航天器（IKAROS）的总体设计、材料设计、空间展开和姿态控制等关键技术,以及中国开展太阳帆和空间大型展开结构的总体设计、空间展开、姿态控制、空间环境适应性等关键技术,提出了系统开展以太阳帆为代表的大型轻质展开结构研制与应用的建议。     

Products from NASA's in-space propulsion technology program applicable to low-cost planetary missions

Since September 2001, NASA's In-Space Propulsion Technology (ISPT) program has been developing technologies for lowering the cost of planetary science missions. Recently completed is the high-temperature Advanced Material Bipropellant Rocket (AMBR) engine providing higher performance for lower cost. Two other cost saving technologies nearing completion are the NEXT ion thruster and the Aerocapture technology project. Under development are several technologies for low-cost sample return missions. These include a low-cost Hall-effect thruster (HIVHAC) which will be completed in 2011, light-weight propellant tanks, and a Multi-Mission Earth Entry Vehicle (MMEEV). This paper will discuss the status of the technology development, the cost savings or performance benefits, and applicability of these in-space propulsion technologies to NASA's future Discovery, and New Frontiers missions, as well as their relevance for sample return missions.     

European Sail Tower SPS concept

Based on a DLR-study in 1998/99 on behalf of ESA/ESTEC called “System Concepts, Architectures and Technologies for Space Exploration and Utilization (SE&U)” a new design for an Earth-orbiting Solar Power Satellite (SPS) has been developed. The design is called “European Sail Tower SPS” and consists mainly of deployable sail-like structures derived from the ongoing DLR/ESA solar sail technology development activity. Such a SPS satellite features an extremely light-weight and large tower-like orbital system and could supply Europe with significant amounts of electrical power generated by photovoltaic cells and subsequently transmitted to Earth via microwaves. In order to build up the sail tower, 60 units - each consisting of a pair of square-shaped sails - are moved from LEO to GEO with electric propulsion and successively assembled in GEO robotically on a central strut. Each single sail has dimensions of 150m × 150 m and is automatically deployed, using four diagonal light-weight carbon fiber (CFRP) booms which are initially rolled up on a central hub. The electric thrusters for the transport to GEO could also be used for orbit and attitude control of the assembled tower which has a total length of about 15 km and would be mainly gravity gradient stabilized. Employing thin film solar cell technology, each sail is used as a solar array and produces an electric power in orbit of about 3.7 MW_e. A microwave antenna with a diameter of 1 km transmits the power to a 10 km rectenna on the ground. The total mass of this 450 MW SPS is about 2100 tons. First estimates indicate that the costs for one kWh delivered in this way could compete with present day energy costs, if launch costs would decrease by two orders of magnitude. Furthermore, mass production and large numbers of installed SPS systems must be assumed in order to lower significantly the production costs and to reduce the influence of the expensive technology development. The paper presents the technical concept and an economic assessment as well as results of a recent solar sail deployment ground demonstration at DLR's facilities in Cologne.     

1700℃高温、有氧及时变环境下隔热性能试验研究

针对高超声速飞行器面临极端高温热环境、飞行器外壳单侧面受热以及温度历程非线性时变的特点,自行设计并建立辐射式极端高温氧化环境下的单侧面试验加热装置,实现了1700℃高温有氧环境下对高超声速飞行器热防护材料的隔热性能试验测试。同时,对轻质陶瓷材料试验件和新型陶瓷、纳米材料复合结构在高达1700℃的高温氧化环境下的隔热性能进行试验测试,并对不同材料及其组合模式进行对比分析,优选高效能的隔热方案,发现陶瓷、纳米材料复合结构试验件比单层轻质陶瓷材料试验件的隔热效果提高了约50%。另外,生成了极端高温非线性时变热环境,并进行相应的隔热性能试验。通过建立极端高温、有氧、单侧面加热、非线性时变热环境试验系统及其实际应用研究,为高超声速飞行器的热防护设计提供重要的试验手段。     

基于DSP的总线式飞控系统

针对小型无人机控制系统对功耗、成本、可集成性等的较高要求,设计了一种基于DSP芯片TMS320F2812的总线式飞行控制系统。详细阐述了系统的设计思想及其基本硬件构成,包括采用DSP为处理单元的飞控计算机、采用低成本MEMS惯性器件的捷联式姿态航向基准系统(航姿仪)和提高通讯可靠性的双余度总线。飞行试验表明该系统满足小型无人机自主控制任务对于可靠性和精度的要求,同时也是一种轻型、低成本、高集成度的方案。