充气式再入飞行器柔性热防护系统的发展状况

讨论了充气式再入飞行器对柔性热防护系统的具体要求，归纳了柔性热防护系统设计的一般准则。概述了柔性热防护系统在充气式再入飞行器中的应用现状，并指出在多层隔热毡(MLI)外表敷设耐高温涂层是柔性热防护系统的理想方案。介绍了柔性热防护系统的材料技术，指出轻质、柔性和耐高温是柔性热防护材料的主要特征，并建议在充气式再入飞行器的总体设计过程中采用Nextel312作为主要候选材料来完成相应的热防护设计。     

基于气凝胶的防隔热一体化材料研究进展北大核心CSCD

新型高速飞行器的快速发展对热防护系统提出了更高要求,基于气凝胶的防隔热一体化材料对提升热防护系统的防隔热性能和结构效率有重要意义。本文基于防热层材料的不同,分类概述了基于气凝胶的防隔热一体化材料的研究进展、结构形式和性能特点,并简要阐述未来防隔热一体化材料发展需要解决的问题。     

氧化铝气凝胶复合高温隔热瓦的制备及性能

以陶瓷纤维制成的高温隔热瓦为骨架,真空浸渍氧化铝溶胶,再经过凝胶、老化和超临界干燥制备出氧化铝气凝胶复合高温隔热瓦,研究了其在不同温度处理后(最高温度1 400℃)的微观结构、隔热和力学性能。结果表明:气凝胶复合高温隔热瓦在1 400℃保温30 min后线收缩率仅为2%;随着热处理温度升高,气凝胶颗粒发生熔并、长大,气凝胶从填充纤维空隙到不断收缩,但对纤维骨架没有明显影响;隔热瓦的室温、高温热导率均显著降低;在热面1 400℃的背温测试中,复合后材料的背温从945℃降到870℃;复合后隔热瓦的力学性能略有增加;但是1 200~1 400℃的压缩强度下降较大。可见,气凝胶复合高温隔热瓦可改善其隔热性能,但在高温下力学性能下降。     

美国金属热防护系统研究进展

简述了美国为可重复使用运载器研制的金属热防护系统的研究现状及其发展趋势。详细介绍了金属热防护系统的结构组成及其分析设计和测试。金属热防护系统与传统热防护系统相比，防热层和承力结构一体化，无需气动外壳，可以减轻系统质量，防热面板容易安装和拆卸，可以大大节省维护时间和成本，适合可重复使用运载器降低成本、提高可靠性的要求。     

一种耐高温多层热防护结构的优化设计与性能

为解决高速飞行器飞行过程中剧烈的气动加热问题,以“高温防热层+隔热缓冲层+核心隔热层”顺序设计的一体化多层热防护结构的传热过程为研究对象,建立了高温环境下热防护结构内部一维非稳态导热-辐射耦合传热模型,通过数值模拟计算得到了高温环境下热防护结构各层的温度分布。利用不同热防护材料的隔热性能差异,针对构建的热防护结构,提出了在满足一定约束条件下,以轻质多层热防护结构总质量和总厚度为目标函数的优化设计方案,得到了多层结构的最优几何参数,并通过实验考核了优化后热防护结构的防隔热性能。实验表明：该结构可耐受1 473 K的高温1 800 s而背温不超过370 K。     

柔性热防护系统及相关热考核试验

柔性热防护系统为高超声速充气气动减速器的防热需求而发展,主要为大质量地球再入及未来火星的进入、下降和着陆系统的防热而研发。本文介绍了美国针对高超声速充气气动减速器已经进行和正在策划的飞行试验情况以及火星进入、下降和着陆系统对柔性热防护系统的使用热环境需求。对柔性热防护系统的基本组成进行了介绍,详细描述柔性热防护系统的相关热考核试验。     

树脂基复合材料长时间烧蚀防热的应用研究

介绍了不同再入飞行器热防护材料的特点，指出长时间飞行器对防热层的要求。通过纤维织物改性和树脂基体改性研制了新型防隔热材料，并进行了性能测试和研究。结果表明：新型改性纤维／酚醛复合材料比传统的树脂基防热材料具有更好的隔热性能和抗烧蚀剥蚀性能，能够满足中低焓值、较低热流、烧蚀时间较长（300～700s）防热部件的防隔热要求。     

长尾喷管气凝胶隔热层结构设计

固体火箭发动机长尾喷管外围通常放置舵机等控制系统,为了满足控制系统的工作温度要求,设计了一种用于长尾喷管段的新型热防护复合结构。长尾段隔热层采用具有低热导率、低密度特点的二氧化硅气凝胶材料。首先建立了气凝胶材料热导率计算模型,并对高温环境气凝胶材料导热性能进行测试。随后结合气凝胶材料热导率计算,建立了长尾喷管的热防护复合结构模型,并对喷管热防护结构模型进行了瞬态传热分析和力学性能分析。结果表明,喷管热防护结构设计满足材料力学性能。在发动机工作20 s后气凝胶材料可以将喷管的长尾段外壳壁面温度控制在320 K以下。相较于传统的高硅氧酚醛隔热材料,气凝胶材料隔热效果表现更优,且可以有效减少喷管热防护结构的消极质量。     

高温热暴露对Al2O3/Al2O3陶瓷基复合材料性能影响

研究1000～1200℃高温热暴露对多孔基体Al₂O₃/Al₂O₃陶瓷基复合材料性能的影响，结果表明：1000℃热暴露100 h对复合材料拉伸强度无影响，1100℃热暴露100 h后拉伸强度略有降低，1200℃热暴露100 h后拉伸强度明显降低。进一步研究1200℃不同热暴露时长对Al₂O₃/Al₂O₃复合材料、氧化铝纤维及氧化铝基体性能的影响，并采用光学显微镜、SEM对试样的微观形貌进行表征。结果表明：1200℃热暴露100 h对氧化铝纤维的性能影响较小，但对氧化铝基体的影响较大，1200℃热暴露仅10 h后，氧化铝基体的孔隙率明显降低，密度明显增加；从基体断口的SEM形貌可以看出，随着1200℃热暴露时间的增加，氧化铝基体中的晶粒尺寸逐渐增大，基体发生进一步的烧结，相应地，从Al₂O₃/Al₂O₃复合材料的断口形貌可以看出...     

热防护材料气固界面传热传质问题研究进展

热防护材料本身和复杂高温/非平衡流动环境之间的气固界面传热传质问题对高超声速飞行器服役热环境的高精度预测及热防护系统(TPS)的精细化设计至关重要。从航空航天及传热传质领域角度出发,以试验测试、理论计算、数值模拟及人工智能应用这4种典型研究范式为切入点,重点综述了国外表征高温服役气体环境/热防护材料气固界面传热传质耦合特性的主要研究手段及最新研究进展,简要总结了中国该领域的研究现状及特点,并在此基础上浅谈了现阶段热防护材料界面热质耦合特性研究的经验启示和新科学范式革命发展带来的挑战思考。     

SiO2 气凝胶热参数测试及评价

利用非稳态阶跃平面热源法对SiO2气凝胶的热参数进行了高温实验研究,获得了不同温度和压力条件下SiO2气凝胶的热导率、热扩散率以及比热容等.结果表明,SiO2气凝胶800℃的热导率比室温增大约62％.在相同气压且低于600℃时,其热导率受比热容影响,而在高于600℃时,则受热扩散率影响;在相同温度且高于10 kPa时,热导率亦受热扩散率影响.     

瞬态热冲击环境下金属蜂窝板结构的热防护特性

使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统,对金属蜂窝板结构在多种瞬态热冲击速率下(5℃/s至30℃/s)的隔热特性进行了试验研究,其中最高瞬时温度达到950℃.并采用三维有限元方法对金属蜂窝板结构在高速热冲击环境下的隔热特性进行了数值计算,其计算结果与试验结果吻合性良好,验证了试验方法以及数值模拟方法的可信性和有效性.由试验知金属蜂窝板结构经过950℃热冲击后的翘曲和扭曲变形均很小,特别适合用于制作在高温环境下,要求变形小、质量少的高速飞行器结构部件.     

辐射/ 烧蚀交替型柔性防热复合材料

通过优化防热方式,提高柔性防热材料的烧蚀防热性能,设计制备了一种辐射/烧蚀交替型柔性防热材料,该柔性防热材料由多层复合防热布叠合构成,复合防热布是一种烧蚀体表面附着辐射层的复合材料,并通过氧乙炔烧蚀试验评价了其热防护性能。通过辐射层表面处理方法提高辐射层与烧蚀层的粘接性,用T型剥离试验、SEM评价了其粘接性能。结果表明,较烧蚀型防热材料,辐射/烧蚀交替型柔性防热材料具有更优异的热防护性能,烧蚀后防热层完好数更多,背温更低;表面处理方法可有效提高剥离强度,在处理剂浓度为5%时,效果最佳。     

火星着陆发动机气凝胶材料热防护装置设计

大推力着陆发动机高温热防护技术对火星着陆任务安全至关重要。基于多级热辐射反射结构的常规发动机高温隔热屏在火星大气环境中使用时,因内部气体换热导致隔热性能显著衰减。为解决这一问题研发了一种基于气凝胶隔热材料的新型发动机热防护装置。根据火星探测工程任务服役环境防隔热需求,建立了考虑低压气氛与高温热流边界影响的瞬态传热模型,开展了新型隔热系统的外形锥度、隔热层厚度等关键结构参数的优化设计,通过三维瞬态仿真分析及与发动机联合试车地面试验验证了设计有效性。气凝胶热防护装置成功应用于天问一号火星着陆巡视器,实现了对着陆发动机1 500℃超高温的有效屏蔽。对在轨遥测数据进行反演分析,提出了基于气凝胶材料的高温隔热设计的优化改进方向。     

航天器辐射式热防护系统

叙述了3种辐射式热防护系统(航天飞机的热防护系统、金属热防护系统和金属热减速伞)在不同航天器上的应用,介绍了辐射防热材料(外蒙皮材料、表面涂层材料和隔热材料)的发展与现状.     

再入钝锥体烧蚀热防护内部热响应的数值仿真

研究了烧蚀热防护系统内部热响应的计算模型和计算方法.采用碳化层-热解面-原始材料层模型,建立碳基材料内部热响应物理模型和数学模型,利用有限元法分析和计算再入目标热防护系统轴对称内部热响应.着重研究和分析了轴对称烧蚀过程中热解气体质量流率计算方法和传热机制.将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过保证刚度矩阵和形函数矩阵的正定对称性可以加速温度场计算收敛.计算表明:热解气体的质量流量主要由厚度方向构成,占80%以上;头部驻点附近最大烧蚀厚度接近10mm,需要采用抗烧蚀能力强的碳-碳材料,身部烧蚀量小于2mm,可以采用密度较小的碳-酚醛材料.      

航天飞行器热防护系统及防热材料研究现状

随着航天技术发展,飞行器的飞行速度更快,服役环境更加恶劣,有效的热防护系统是保证飞行器安全飞行的关键系统之一。本文综述了被动防热系统、主动防热系统和半被动防热系统3类热防护系统在航天飞行器上的应用现状,重点介绍了金属基复合材料、碳基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料和气凝胶材料,5类防热材料在航天领域的应用发展情况,并提出了航天飞行器未来热防护的发展趋势。     

气凝胶隔热材料制备及航天热防护应用研究进展北大核心CSCD

我国航天事业的不断发展对航天器热防护材料提出了更高的要求,气凝胶作为一种纳米网络多孔材料,因其纳米尺度效应,具有超级隔热性能,是近年来超级隔热材料研究的热点和前沿。本文以航天热防护应用为背景,综述了气凝胶隔热材料近十年来的研究进展,包括无机氧化物气凝胶、有机气凝胶、炭气凝胶、碳化物气凝胶隔热材料等,以及其制备方法、隔热性能和热防护应用现状,结合当前航天领域需求和气凝胶隔热材料研究的难点问题,提出气凝胶隔热材料的未来发展方向。     

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。     

航天器用薄膜温度传感器的研制及性能研究

飞行器以高超声速飞行时瞬间温升可达1 600℃以上,为了保证飞行器的可靠和运行安全,准确实时测量热防护系统表面温度显得尤为重要。针对高温环境实时测温的技术难题,结合磁控溅射技术和陶瓷烧结技术,提出了一种引线和传感器基底一体化的微小型高温薄膜温度传感器结构。采用高温检定炉对传感器陶瓷基底的高温绝缘性进行了测试,并使用多种微观形貌表征方法对传感器主要结构材料进行筛选,得到薄膜温度传感器制备所需的最佳材料组合。进行了薄膜温度传感器静态标定和综合性能高温考核试验,结果表明,所研制传感器灵敏度、重复性的变化与标准热电偶基本保持一致,在实际环境温度低于1 500℃时,传感器测量误差不超过4‰,可在1 200℃高温环境中连续准确测温6 h以上,且测温上限高达1 800℃,验证了该传感器在高温环境中进行测温的可行性和实用性,为航天器表面温度测量和热防护系统优化提供科学依据。