气凝胶复合材料在航天领域中的应用

气凝胶是一种高孔隙率、高比表面积的三维网络状结构的纳米材料。气凝胶独特的纳米结构能有效抑制材料的固体热传导和气体对流传热，是一种性能优异的“超级隔热材料”。此外，与传统的保温材料相比，气凝胶具有轻质、不燃、疏水等特点，符合航空航天领域对隔热、轻质的要求，在美国等国家得到了广泛应用。     

SiO2气凝胶隔热透波复合材料的制备及其性能研究

采用溶胶-凝胶法,以三甲基氯硅烷为改性剂,经表面疏水改性处理和CO2超临界干燥,制备了莫来石纤维增强Si O2气凝胶隔热透波复合材料。并研究了气凝胶复合材料的疏水性能、力学性能、隔热性能及介电性能,结果表明:制备的莫来石纤维增强Si O2气凝胶复合材料具有良好的疏水性能、力学性能、隔热性能和介电性能,是一种性能良好的隔热透波一体化材料。     

树脂基防隔热复合材料高温响应分析方法研究进展

针对树脂基防隔热复合材料高温条件下复杂的热/力/化学的多场耦合问题，从高温性能预报模型、高温响应求解方法和高温试验测试三方面进行了论述。详细介绍了研究树脂基防隔热复合材料高温响应相关的热解动力学模型、材料高温热物性及力学性能演化表征方法、材料高温响应模型的求解方法以及表征材料高温响应的多种高温试验测试手段。对上述研究方法的发展进行了评述，并对未来发展趋势进行了展望。本文有助于相关研究人员认识和发展树脂基复合材料在高温下的热力响应分析方法，也可供工程技术人员对这类材料的防隔热性能和高温承载性能进行研究。     

一种航天器用外热防护涂层材料研究

研制了一种由环氧改性有机硅树脂、聚酰胺类固化剂为基体,以隔热及耐热填料为添加剂的室温固化耐高温外热防护涂料体系;该外热防护涂层材料的拉伸强度3.15MPa,断裂伸长率26%;热导率0.271W/(m.K),比热容2.689 J/(g.K),而且具有优良的隔热性能、耐热性能以及良好的附着力。该涂层材料可用于T700/4319复合材料壳体表面的外防护,并可在350℃温度条件下短期使用。     

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。     

1700°C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。     

星际航天服新型防热材料研究

本研究的对象是柔性纤维骨架的气凝胶复合材料，研究目的是开发未来月球火星航天服的防热材料。在高、低真空状态下，骨架纤维硅气凝胶复合材料（FSACF）的高柔性和良好的防热属性使之成为未来航天服最有可能使用的候选防热材料。本文首先介绍了保持热性能的情况下这些气凝胶复合材料的耐久性（机械循环测试）研究。研究显示，在25万次机械弯曲循环测试之后，其中一些气凝胶材料保持了大部分防热性能。本文也调查了将这些柔性气凝胶复合材料整合入目前航天服部件中的问题。对不同类型气凝胶航天服部件方案进行热传导性评估，以确定在月球和火星环境下，可能具有最佳总热性能的防热敷层概念。还讨论了应用这些气凝胶材料，减轻硅材料受灰尘污染问题的潜在解决方案。     

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。     

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。     

多层隔热材料热防护方法

基于运载火箭一二级发动机分离时热流密度约为9.6 MW/m²、持续时间0.5 s,二级发动机工作时的喷管辐射热流密度为25～100 kW/m²、持续时间120 s的边界条件,选取了2.0 mm厚的氧化锆陶瓷纤维板、5.0/8.0 mm厚的硅酸铝纤维毡、3.2/1.6 mm厚的阻燃型硅橡胶组成的两种隔热方案。应用一维非稳态方法仿真分析了两种隔热方案保护下发动机舱内部组件的壁温,依据隔热组件壁温及材料质量,提出了耐高温多层隔热材料热防护方案。使用液化气喷枪喷吹高温合金平板模拟燃烧室壁,模拟试验壁温测试值表明隔热方案可以满足热防护要求。     

Thermal conductivity studies of a polyurea cross-linked silica aerogel-RTV 655 compound for cryogenic propellant tank applications in space

Silica-based aerogel is an ideal thermal insulator with a makeup of up to 99% air associated with the highly porous nature of this material. Polyurea cross-linked silica aerogel (PCSA) has superior mechanical properties compared to the native aerogels yet retains the highly porous open pore network and functions as an ideal thermal insulator with added load-bearing capability necessary for some applications. Room temperature vulcanizing rubber-RTV 655—is a space qualified elastomeric thermal insulator and encapsulant with high radiation and temperature tolerance as well as chemical resistance. Storage and transport of cryogenic propellant liquids is an integral part of the success of future space exploratory missions and is an area under constant development. Limitations and shortcomings of current cryogenic tank materials and insulation techniques such as non-uniform insulation layers, self-pressurization, weight and durability issues of the materials used, has motivated the quest for alternative materials. Both RTV 655 and PCSA are promising space qualified materials with unique and tunable microscopic and macroscopic properties making them attractive candidates for this study. In this work, the effect of PCSA geometry and volume concentration on the thermal behavior of RTV 655—PCSA compound material has been investigated at room temperature and at a cryogenic temperature. Macroscopic and microscopic PCSA material was encapsulated at increasing concentrations in an RTV 655 elastomeric matrix. The effect of pulverization on the nanopores of PCSA as a method for creating large quantities of homogeneous PCSA microparticles has also been investigated and is reported. The PCSA volume concentrations ranged between 22% and 75% for both geometries. Thermal conductivity measurements were performed based on the steady state transient plane source method.     

低特征信号绝热层用硅氧烷树脂研究

简述了用于固体火箭发动机低特征信号绝热层研制的发展现状。对多种硅氧烷树脂（ＲＴＶ）进行了筛选和信号透过率，热失重，力学及粘接笥能试验。试验结果表明，与使用ＥＰＤＭ绝热层材料相比，使用ＲＴＶ绝热层材料，火箭发动机燃烧室羽流具有较高的信号透过率；ＲＴＶ还具有较好的热性、力学及粘接性能，适于用作低特征信号绝热层的基体材料。     

白炭黑与硼酚醛树脂用量对EPDM/NBR柔性绝热层材料性能的影响

通过比较分析白炭黑与硼酚醛树脂用量对EPDM/NBR柔性绝热层材料拉伸强度、断裂伸长率、质量烧蚀速率和线烧蚀速率以及相对密度的影响,得出随着白炭黑或硼酚醛树脂用量的增加,柔性绝热层材料的拉伸强度和相对密度呈递增趋势,烧蚀速率呈递减趋势,断裂伸长率在白炭黑和FB用量各自为20份时有极大值.     

高空发动机燃料主管路防热罩设计优化

针对火箭飞行工作中高空发动机燃料主管路系统防热罩存在热防护能力不足的问题,开展了高空羽流条件下的仿真计算和分析,依据温度计算值确定了防热罩紧固件在高温下抗拉伸强度低,在较高拧紧力矩条件下存在锌、镉脆断裂的薄弱环节,从而导致防热罩脱落。防热罩脱落后其内充填的隔热包覆材料被羽流吹落,燃料主汽蚀管连接法兰直接暴露在高温羽流环境中,高温导致法兰连接及密封失效从而产生燃料泄漏。针对防热罩热防护设计中存在的薄弱环节完成了设计改进,采用头锥形防热罩、高温合金材料的紧固件和多层耐高温隔热材料捆扎包覆等设计改进方案后,经过了高温、振动、地面发动机热试车和飞行试验验证,未出现前述故障。     

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。     

高超声速飞行器材料与结构气动热环境模拟方法及试验研究

文章介绍了自行研制的石英灯红外辐射式气动加热试验模拟系统以及使用该系统对高超声速飞行器材料与结构进行的高温热评价试验。本热试验系统可实现升温速率高至200 ℃/s的非线性热冲击过程的动态模拟;能够生成1.8 MW/m2热流密度的瞬态非线性热试验模拟环境;能将试验环境温度提高到1 500 ℃。在该热试验系统上完成了如下试验研究: 1）金属蜂窝板结构在高温950 ℃非线性热环境下的隔热性能评价试验和数值模拟;2）对SiC/SiC复合材料试件在1 300～1 500 ℃下的隔热性能评价试验;3）采用轴向非分段加热试验方式对圆柱型壳体结构（长2.1 m）内壁进行高温热环境试验。本试验系统在可控的非线性温升速率、高温高热流密度变化过程的动态模拟、热试验环境模拟的准确性以及非接触式全场高温变形测量等方面的研究成果达到了国际先进水平。     

推力室多孔面板氢发汗冷却传热分析

为了研究氢氧火箭发动机推力室喷注器多孔面板的发汗冷却特性,采用一维非热平衡能量方程模型对其进行了数值传热计算,计算模型考虑了冷却剂氢的变物性和多孔结构内固体与流体之间的对流换特征。分析总结了多孔结构固体导热率、孔隙率、颗粒特征直径和燃烧室热流密度等因素对多孔面板发汗冷却的影响。研究结果表明,选择较高导热率的多孔面板制造材料能够降低燃气侧面板温度和减小面板温度梯度;孔隙率一般在0.1～0.2为宜;随着颗粒特征直径增大冷却剂与多孔结构固体之间的换热能力明显下降,燃气侧面板温度呈先降低后升高的趋势。     

多层隔热材料热物性参数工程计算方法

有效发射率、有效太阳吸收比和当量热导率等多层隔热材料热物性参数的正确确定是进行航天器热分析和热设计的基础。对多层隔热材料的这些热物性参数的工程计算方法进行了介绍,通过计算分析获得了不同条件下这些热物性参数的定量值,可为航天器热控设计提供参考。