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空天飛行器用熱防護陶瓷材料

2018-01-04 09:46:23 作者：本網整理來源：中國知網分享至：

作者：陳玉峰 1，洪長青 2，胡成龍 3，胡平 2，李伶 4，劉家臣 5，劉玲 6，龍東輝 7，邱海鵬 8，湯素芳 3，張幸紅 2，周長靈 4，周延春 9，朱時珍 6

1 中國建筑材料科學研究總院，北京 100024

2 哈爾濱工業大學復合材料研究所，哈爾濱 150001

3 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016

4 山東工業陶瓷研究設計院，山東淄博 255000

5 天津大學材料科學與工程學院，天津 300072

6 北京理工大學材料學院，北京 100081

7 華東理工大學化工學院，上海 200237

8 中航復合材料有限責任公司，北京 100130 9 航天材料及工藝研究所，北京 100076

序

熱防護系統和熱防護材料是發展和保障高超聲速飛行器和可重復使用飛行器在極端環境下安全服役的基石。為了提高飛行器的生存能力，突破熱防護的“新熱障”問題，高效熱防護系統和熱防護材料必須提高抗極端服役環境能力，滿足飛行器熱防護系統的耐溫性、耐久性和可靠性需求。近年來，隨著相關航天和軍事需求的快速發展，熱防護系統和熱防護材料的研究及應用獲得了極大進步，并逐步成為相對獨立并不斷壯大的研究領域。

本文回顧了熱防護技術和熱防護材料的發展歷史，然后根據新型高超聲速飛行器和空天飛機發展對熱防護材料的挑戰和需求，重點介紹了陶瓷熱防護材料包括超高溫陶瓷、纖維增韌超高溫陶瓷基復合材料、大面積隔熱材料、防隔熱涂層、高溫熱密封材料的發展現狀。在對空天飛行器用熱防護材料的歷史及現狀進行全方位的綜合評述的基礎上，提出了熱防護材料的發展方向，以期為未來進一步發展更加高效、可靠的熱防護材料提供參考。

本文所有作者均長期從事熱防護系統和熱防護材料的基礎和應用研究，在相關熱防護基礎理論、材料設計、制備工藝、結構表征、性能調控以及應用開發等方面做了大量工作，以十余年的研究成果為基礎，同時融合國際上熱防護材料的最新研究進展，撰寫了較系統全面的“空天飛行器用熱防護陶瓷材料”長文綜述，對從事本領域研究的讀者有很好的參考價值，在這里也希望我國的熱防護系統和熱防護材料技術研究再邁上一個新臺階。

韓杰才

哈爾濱工業大學教授、中國科學院院士

2017 年 8 月 30 日于哈爾濱

前言

1 熱防護技術發展歷史

1.1 激波防熱及熱沉防熱

1.2 燒蝕防熱

1.3 可重復使用熱防護系統

1.4 新型可重復使用熱防護材料

2 超高溫陶瓷及其復合材料

2.1 UHTCs 防熱材料體系的設計

2.2 UHTCs 的制備

2.3 UHTCs 的力學性能和抗熱沖擊性能

2.4 UHTCs 的抗氧化燒蝕性能

3 碳纖維增強超高溫陶瓷基復合材料

3.1 材料制備

3.2 推進系統用難熔金屬碳化物改性 C/C 復合材料

3.3 飛行器用難熔金屬碳化物改性 C/SiC 復合材料

3.4 碳纖維增強硼化物超高溫陶瓷復合材料

3.5 多功能碳纖維增強 UHTC 基復合材料的設計

3.6 發展方向

4 大面積隔熱材料

4.1 陶瓷纖維剛性隔熱瓦

4.2 陶瓷纖維柔性隔熱氈

5 沖壓發動機被動熱防護多層隔熱材料

5.1 沖壓發動機的熱防護

5.2 沖壓發動機用多層隔熱材料的設計

5.3 沖壓發動機用隔熱材料的種類及制備

6 防隔熱涂層

6.1 抗氧化燒蝕涂層的功能要求與結構設計

6.2 抗氧化燒蝕涂層體系

6.3 高發射隔熱涂層設計要求

6.4 陶瓷纖維剛性隔熱瓦表面涂層體系

6.5 陶瓷纖維柔性隔熱氈表面涂層體系

6.6 防隔熱涂層的制備技術

6.7 發展方向

7 高溫熱密封材料

7.1 高溫膠粘劑

7.2 高溫靜態密封材料

7.3 高溫動態密封組件

7.4 發展方向

8 結束語

致謝

參考文獻

空天飛行器是指能夠飛行在臨近空間或空間執行特定任務并能長時間駐留的飛行器，是實現快速遠程輸送、精確打擊、遠程實時偵查、持久高空監視、情報搜集和通信中繼等任務最為有效的手段[1]。典型的空天飛行器可以分為三類（圖 1）：可重復使用軌道機動式（Single Stage to Orbit, SSTO; Two Stage to Orbit, TSTO）、高超聲速助推滑翔式（Hypersonic Technology Vehicle, HTV）和高超聲速巡航式（Hypersonic Cruise Vehicle, HCV）。這些飛行器的飛行速度一般均達到 5 倍音速以上，因而也被稱為超高聲速飛行器，是未來航天航空技術新的制高點，具有戰略性、前瞻性、標志性和帶動性。近年來，臨近空間特殊的戰略價值已經受到許多國家的重視，高超聲速飛行器也成為各國近期競相研究的熱點。美國、俄羅斯、歐洲、韓國、日本、以色列等國家和地區都投入了大量經費并制定了一系列研究計劃，積極開展高超聲速飛行器的研制。從總體上看，目前高超聲速飛行器仍處于關鍵技術的攻關和演示驗證階段。熱防護系統（Thermal Protection System,TPS）是研制和保障空天飛行器在極端環境下安全服役最為關鍵的技術之一[2,3]。飛行器在高速進入大氣層的過程中，氣流會在飛行器的外表面形成一個激波層。高速氣流在流經該激波層時受到壓縮，導致大量動能轉化為熱能，并使得氣流溫度急劇升高。當激波層內部分氣體傳遞至飛行器表面時，與飛行器表面產生剪切力和內粘性，從而導致這部分氣體溫度進一步提高。這部分氣體所處的區域被稱為邊界層。由于邊界層內氣體溫度遠高于飛行器表面，因此邊界層內的氣體與飛行器表面將產生對流傳熱作用，并導致飛行器表面溫度升高，這就是所謂的氣動加熱，即高速空氣繞流飛行器所產生的加熱行為[4]。由于氣動加熱作用本質上是一種動能向熱能的轉化，因此該作用產生的熱流密度與飛行器速度密切相關。飛行器表面的熱流密度近似隨飛行速度的三次方快速增長，并與大氣密度成正比關系。圖 2 所示為直徑 1 inch （2.5 cm）的球體在三種不同軌道飛行器上表面熱流隨溫度的變化關系。第一種為載人航天飛行器近地軌道載入，第二種為單級軌道吸氣式飛行器上升階段，第三種為航天飛機軌道器下降過程。從圖中可以看出，在第一種情況下，球體表面熱流在很短的時間內就能達到最大值；而在第三種情況下，較長時間內球體表面仍保持著最大的熱流密度。TPS 的主要功能便是控制進入飛行器的熱流，使底層主體結構維持在所允許的溫度范圍內[2,3]。

近十年來，高超聲速技術研究如火如荼地進行，盡管在取得重大突破的同時，還在部分相關型號上獲得飛行演示驗證，但滿足新型飛行器構型和軌道要求的“新熱障”問題仍然是一個難以回避的重大問題。空間、臨近空間和大氣層內長時間高超聲速滑翔/巡航/軌道機動飛行，是目前多種新型空天飛行器發展的熱點和未來發展趨勢，飛行速度的提高和機動能力的提升促使許多傳統熱防護系統觀念發生了改變[5]。尤其是近年來，隨著載人航天、登月與深空探測、高超聲速飛行器、重復使用運載器、空間機動飛行器等航天科技發展與航天工程的實施，對防熱復合材料又提出了全新、更加可靠的技術要求，為熱防護材料的發展提供了前所未有的機遇和挑戰[6,7]。現有防熱材料體系在高溫物理化學穩定性、能量耗散效率以及有效服役時間等方面都還存在諸多不足，已成為新型飛行器研制中關鍵性的制約因素之一。拓展現有熱防護系統及相關熱防護材料的耐極端環境能力、探索新的熱防護材料體系成為發展高超聲速飛行器和空天飛行器技術的迫切需求。

本文在對空天飛行器用熱防護材料的歷史及現狀進行全方位的綜合評述的基礎上，提出了熱防護材料的發展方向，以期為未來進一步發展更加高效、可靠的熱防護材料提供參考。