承载型飞行器热防护材料

在大气层中高速飞行的飞行器，其飞行热环境的特点是：长时间条件下承受中等热流密度，总加热量很大。因此，必须要有质量轻、性能好的热防护系统。其中，热防护材料性能的好坏决定了热防护系统的成败。飞行器用热防护材料应具有隔热性能好，不烧蚀的特点，且材料的质量和性能在服役过程中不发生变化。热防护材料分为非承载型和承载型两类。其中，承载型热防护材料用于高速飞行（Ma>4）的飞行器热防护系统中，应用部位在飞行器外部。这种材料在飞行器飞行过程中要承受热、力、振动等综合载荷，其结构包括表面层和隔热层，表面层具有耐高温、强度高且发射率高的特点，隔热层除了要求具备低的热导率、高的抗红外辐射能力之外，还必须具有一定的强度和韧性。因此，承载型热防护材料的设计和制造难度很高。
目前已研发的飞行器用承载型热防护材料主要有以下几种：
一、刚性隔热瓦
陶瓷隔热瓦是航天飞机迎风面使用的热防护材料。美国研发的陶瓷隔热瓦的主要成分为石英纤维、硼硅酸铝纤维或氧化铝纤维，经高温烧结后，纤维之间相互搭接形成多孔结构。这种结构赋予陶瓷隔热瓦良好的隔热性能和力学性能。加上与陶瓷隔热瓦相匹配的高辐射涂层，已在航天飞机热防护系统中获得成功应用。据报道，美国2010年发射的轨道试验飞行器迎风面就使用了最新研制的陶瓷隔热瓦，使用温度超过1315°C。为了解决涂层的强度和抗冲力能力明显不足的问题，美国最新的研究成果是在刚性隔热瓦外表面增加一层无机纤维织物增强的陶瓷基复合材料面板，明显增强了刚性隔热瓦的表面抗冲刷能力。
二、柔性隔热毡
柔性陶瓷纤维毡原本主要用于航天飞机的背风面隔热。经过不断改进，其性能逐渐提高，纤维毡也能够适用复杂的外形结构。美国研发的新型的可重复使用隔热材料，由上下面板和纤维隔热材料共同组成，形成三明治结构。其主要改进在于其表面陶瓷涂层可有效提高原有材料的抗冲刷性及耐温性，使用温度可达1204°C。
三、盖板式热防护系统
这个系统实际上是多种材料和结构的集成，是结构功能一体化的外部热防护系统，主要包括机械外壳、紧固件、支撑结构和非承力的隔热层、密封圈、应变隔离垫等。目前研发的盖板式热防护系统有两种:金属系统和陶瓷基盖板系统。金属系统由金属包围壳体与内部的轻质耐高温陶瓷纤维隔热层组成，通过机械方式与飞行器的承力结构连接。其中，承受热和力作用的外部面板根据温度要求，可使用高温镍基合金或钛合金，采用蜂窝夹心结构，增强该系统的力学性能和耐久性，同时起到减重的作用。陶瓷基盖板系统主要由陶瓷复合材料盖板，轻质耐高温隔热材料和支撑结构组成。（钢研）