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。     

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%。     

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。     

航天先进结构复合材料及制造技术研究进展

随着航天装备的发展,对轻质的树脂基结构复合材料技术提出了新的发展需求,推动了结构复合材料及其制造技术的新发展。本文重点从结构复合材料材料体系、制造方法及应用等方面介绍了近年来国内外航天先进结构复合材料研究与应用新进展,并结合航天飞行器发展需求,对未来航天结构复合材料研究与应用发展方向进行了探讨。     

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。     

气相渗硅制备C/SiC复合材料

C/SiC复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、高热导率、低热膨胀系数、耐磨损、热稳定性好等诸多优点,是新一代高温热结构材料,在空间光学系统、飞行器热防护系统、车辆和飞机的制动系统等领域得到了广泛的应用。本文首先对C/SiC复合材料的优良性能和制备工艺作简要介绍,随后重点介绍气相渗硅制备C/SiC复合材料的工艺设计及工艺优化研究,最后,对气相渗硅制备C/SiC复合材料需要进一步解决的问题作了小结。     

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.     

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。     

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。     

新型一体化热防护系统热力分析与试验研究

高速飞行器对结构效率的苛刻要求使得热防护系统不断趋于向轻质化、集成化方向发展,新型的力热耦合一体化热防护系统(ITPS)极具发展潜力.首先阐释了一种新型一体化热防护方案的概念与特点,总结了一体化结构设计的基本原则,数值分析了结构参数对背面温度响应、屈曲临界载荷的影响,结果表明腹板厚度对背面温度以及屈曲临界载荷的影响最大.然后设计并加工制备了ITPS的面板与单胞试验样件,分别展开了800℃的高温防隔热性能试验考核和屈曲性能的力学试验研究;试验表明腹板结构是引发热短路效应和屈曲的关键因素,屈曲试验与模拟结果吻合,高温屈曲分析表明温度梯度对屈曲特征有较大影响.     

酚醛树脂基纳米多孔材料的制备及结构调控

酚醛树脂基纳米多孔材料（Phenolic Resin-based Nanoporous Materials,PNM）是满足新一代航天飞行器轻质、高效隔热需求的新型热防护材料,传统制备方法中需使用超临界干燥技术,制备周期长、成本高。本研究通过两步法,即先合成线性酚醛树脂,再进行溶胶-凝胶的方法,实现了常压干燥PNM的制备。系统研究了固化剂含量、固化温度和固化时间对材料结构的影响和调控作用,分析了影响材料收缩率和热稳定性的因素。结果表明,PNM的微观纳米结构的变化会影响材料干燥后的收缩率,制备大颗粒、大孔径的微观结构更有利于降低材料的收缩率。而PNM的热稳定性主要受交联反应过程形成的化学结构的影响,通过优化固化剂的含量可提高PNM的热稳定性。当固化剂含量为10%,固化温度提高至150℃,固化时间延长至48 h的条件下,获得的PNM有最高的热稳定性（900℃下的残碳率为54.2%）、最发达的孔结构（比表面积为264.0 m²/g、孔容为2.67 cm³/g、平均孔径为40.0 nm）和最小的收缩率（0%）。此PNM制备方法简单、性能优异,在未来航天飞行器上有广阔的应用前景。     

纤维增韧高温陶瓷基复合材料(C_f,SiC_f/SiC)应用研究进展

纤维增韧陶瓷基复合材料除了具有耐高温、高比强度、高比模量、高热导率、低热膨胀系数等一系列优良性能外,还具有基体致密度高、耐热震、抗烧蚀、耐辐照及低放射活性、抗疲劳和抗蠕变等特性,展现了优越的高温热力学和微观组织稳定性,是一种集结构承载和耐苛刻环境的轻质新型复合材料。在空天飞行器的热防护系统、航空发动机、火箭发动机、高性能制动以及先进核能等高温热结构部件上拥有巨大的应用潜力。该类材料的使用可以提高结构的热学性能、力学性能和耐高温性能,减少系统自重和提高系统安全可靠性。针对近年来纤维增韧高温陶瓷基复合材料的研发设计、制备及服役环境对材料性能的影响进行了综述,并对该类材料未来的应用前景进行了展望。     

航空发动机用环境障涂层的发展

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（CMC-SiCf/SiC）具有低密度、耐高温、高比强度等优点,是下一代高推重比航空发动机热端部件的主要候选材料之一。然而,该材料在燃气环境中面临严重的腐蚀问题。因此,需要在材料表面涂覆环境障涂层进行防护。本文综述了环境障涂层的选材要求、材料发展阶段、涂层制备技术、涂层考核与失效等,指出了环境障涂层今后在选材、制备、考核与评价的发展方向。     

航天用轻质结构材料研究进展及应用需求

从轻质金属和复合材料出发,简要介绍了航天用几大主要轻质结构材料国内外研究进展,并在此基础上,结合航天的应用需求,浅析了轻质结构材料的研究和发展方向。     

高超声速飞行器热结构设计分析技术研究

综述了国内外高超声速飞行器结构热设计分析技术的进展,探讨了计算气动热力学应用于高超声速飞行器结构设计的能力与局限性的现状,提出并讨论了高超声速飞行器热结构设计分析的关键技术及其发展趋势:(1)高超声速飞行器瞬态表面温度和气动加热率计算技术;(2)流-热-固多物理场耦合机理模型技术;(3)流-热-固多场耦合计算分析技术;(4)高超声速飞行器热防护结构设计技术。     

复合材料贮箱在航天飞行器低温推进系统上的应用与关键技术

复合材料低温贮箱的研制与开发是集合了多学科的复杂科学工程。航天技术的发展对航天飞行器性能提出了更高的要求,使得低温推进系统成为了研究重点。为了进一步提高航天器的性能,必须从结构的减重入手,贮箱作为低温推进系统中最大的部件,成为了未来重点发展方向。用碳纤维增强复合材料(CFRPs)代替铝合金用于制备可重复使用飞行器(RLV)的燃料贮箱成为近些年各个航天大国的重点研究方向。本文介绍了复合材料低温贮箱在航天飞行器领域研究与发展的过程,介绍了复合材料低温贮箱的一些典型型号,总结了发展复合材料低温贮箱所需解决的技术问题。     

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。     

航天复合材料研究进展

航天复合材料的性能与应用水平是衡量航天型号先进性与可靠性的重要标志,是支撑航天型号发展的关键材料,决定型号性能与成败.本文总结了近年来在热结构、防热、热透波、隔热以及结构复合材料领域的重要研究进展,提出极端环境服役新材料、可重复使用防隔热材料、第三代结构复合材料以及复合材料构件低成本快速制造等是航天复合材料未来发展的重...     

高超声速飞行器控制面热防护技术跟踪研究

简要介绍了高超声速飞行器控制面的气动热环境特点,在此基础上,从热管理的角度对各种类型的热防护方案分别进行分析,论证了高超声速飞行器控制面采用热结构方案的合理性;并对高超声速飞行器控制面热结构方案的特点和进展、改进热结构的途径进行了综述和分析。     

高超声速飞行器热防护与热管理综合分析方法

高超声速飞行器面临严苛的气动热载荷,不仅给机体结构的设计带来了困难,也为舱室的综合防热设计提出了挑战,高超声速飞行器的热防护设计与舱室热管理系统的设计高度耦合,需要采取一体化的手段进行分析和设计。从高超声速飞行器内-外热耦合的传热过程出发,建立了耦合分析舱室综合防热问题的数学模型。并结合设定的舱室和飞行任务曲线进行了仿真优化计算。结果表明,采用热防护和热管理耦合的分析方法,有助于综合选取最优的隔热层厚度和液氮冷却控制策略,使舱室热问题的综合代偿达到最优。该方法能够用于快速开展舱室热问题的综合参数优化,可以满足概念方案设计阶段开展热防护和热管理综合分析的需要。