空天飞行器用热防护陶瓷材料

2018-01-04 09:46:23 作者：本网整理来源：中国知网分享至：

作者：陈玉峰 1，洪长青 2，胡成龙 3，胡平 2，李伶 4，刘家臣 5，刘玲 6，龙东辉 7，邱海鹏 8，汤素芳 3，张幸红 2，周长灵 4，周延春 9，朱时珍 6

1 中国建筑材料科学研究总院，北京 100024

2 哈尔滨工业大学复合材料研究所，哈尔滨 150001

3 中国科学院金属研究所，沈阳 110016

4 山东工业陶瓷研究设计院，山东淄博 255000

5 天津大学材料科学与工程学院，天津 300072

6 北京理工大学材料学院，北京 100081

7 华东理工大学化工学院，上海 200237

8 中航复合材料有限责任公司，北京 100130 9 航天材料及工艺研究所，北京 100076

序

热防护系统和热防护材料是发展和保障高超声速飞行器和可重复使用飞行器在极端环境下安全服役的基石。为了提高飞行器的生存能力，突破热防护的“新热障”问题，高效热防护系统和热防护材料必须提高抗极端服役环境能力，满足飞行器热防护系统的耐温性、耐久性和可靠性需求。近年来，随着相关航天和军事需求的快速发展，热防护系统和热防护材料的研究及应用获得了极大进步，并逐步成为相对独立并不断壮大的研究领域。

本文回顾了热防护技术和热防护材料的发展历史，然后根据新型高超声速飞行器和空天飞机发展对热防护材料的挑战和需求，重点介绍了陶瓷热防护材料包括超高温陶瓷、纤维增韧超高温陶瓷基复合材料、大面积隔热材料、防隔热涂层、高温热密封材料的发展现状。在对空天飞行器用热防护材料的历史及现状进行全方位的综合评述的基础上，提出了热防护材料的发展方向，以期为未来进一步发展更加高效、可靠的热防护材料提供参考。

本文所有作者均长期从事热防护系统和热防护材料的基础和应用研究，在相关热防护基础理论、材料设计、制备工艺、结构表征、性能调控以及应用开发等方面做了大量工作，以十余年的研究成果为基础，同时融合国际上热防护材料的最新研究进展，撰写了较系统全面的“空天飞行器用热防护陶瓷材料”长文综述，对从事本领域研究的读者有很好的参考价值，在这里也希望我国的热防护系统和热防护材料技术研究再迈上一个新台阶。

韩杰才

哈尔滨工业大学教授、中国科学院院士

2017 年 8 月 30 日于哈尔滨

前言

1 热防护技术发展历史

1.1 激波防热及热沉防热

1.2 烧蚀防热

1.3 可重复使用热防护系统

1.4 新型可重复使用热防护材料

2 超高温陶瓷及其复合材料

2.1 UHTCs 防热材料体系的设计

2.2 UHTCs 的制备

2.3 UHTCs 的力学性能和抗热冲击性能

2.4 UHTCs 的抗氧化烧蚀性能

3 碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料

3.1 材料制备

3.2 推进系统用难熔金属碳化物改性 C/C 复合材料

3.3 飞行器用难熔金属碳化物改性 C/SiC 复合材料

3.4 碳纤维增强硼化物超高温陶瓷复合材料

3.5 多功能碳纤维增强 UHTC 基复合材料的设计

3.6 发展方向

4 大面积隔热材料

4.1 陶瓷纤维刚性隔热瓦

4.2 陶瓷纤维柔性隔热毡

5 冲压发动机被动热防护多层隔热材料

5.1 冲压发动机的热防护

5.2 冲压发动机用多层隔热材料的设计

5.3 冲压发动机用隔热材料的种类及制备

6 防隔热涂层

6.1 抗氧化烧蚀涂层的功能要求与结构设计

6.2 抗氧化烧蚀涂层体系

6.3 高发射隔热涂层设计要求

6.4 陶瓷纤维刚性隔热瓦表面涂层体系

6.5 陶瓷纤维柔性隔热毡表面涂层体系

6.6 防隔热涂层的制备技术

6.7 发展方向

7 高温热密封材料

7.1 高温胶粘剂

7.2 高温静态密封材料

7.3 高温动态密封组件

7.4 发展方向

8 结束语

致谢

参考文献

空天飞行器是指能够飞行在临近空间或空间执行特定任务并能长时间驻留的飞行器，是实现快速远程输送、精确打击、远程实时侦查、持久高空监视、情报搜集和通信中继等任务最为有效的手段[1]。典型的空天飞行器可以分为三类（图 1）：可重复使用轨道机动式（Single Stage to Orbit, SSTO; Two Stage to Orbit, TSTO）、高超声速助推滑翔式（Hypersonic Technology Vehicle, HTV）和高超声速巡航式（Hypersonic Cruise Vehicle, HCV）。这些飞行器的飞行速度一般均达到 5 倍音速以上，因而也被称为超高声速飞行器，是未来航天航空技术新的制高点，具有战略性、前瞻性、标志性和带动性。近年来，临近空间特殊的战略价值已经受到许多国家的重视，高超声速飞行器也成为各国近期竞相研究的热点。美国、俄罗斯、欧洲、韩国、日本、以色列等国家和地区都投入了大量经费并制定了一系列研究计划，积极开展高超声速飞行器的研制。从总体上看，目前高超声速飞行器仍处于关键技术的攻关和演示验证阶段。热防护系统（Thermal Protection System,TPS）是研制和保障空天飞行器在极端环境下安全服役最为关键的技术之一[2,3]。飞行器在高速进入大气层的过程中，气流会在飞行器的外表面形成一个激波层。高速气流在流经该激波层时受到压缩，导致大量动能转化为热能，并使得气流温度急剧升高。当激波层内部分气体传递至飞行器表面时，与飞行器表面产生剪切力和内粘性，从而导致这部分气体温度进一步提高。这部分气体所处的区域被称为边界层。由于边界层内气体温度远高于飞行器表面，因此边界层内的气体与飞行器表面将产生对流传热作用，并导致飞行器表面温度升高，这就是所谓的气动加热，即高速空气绕流飞行器所产生的加热行为[4]。由于气动加热作用本质上是一种动能向热能的转化，因此该作用产生的热流密度与飞行器速度密切相关。飞行器表面的热流密度近似随飞行速度的三次方快速增长，并与大气密度成正比关系。图 2 所示为直径 1 inch （2.5 cm）的球体在三种不同轨道飞行器上表面热流随温度的变化关系。第一种为载人航天飞行器近地轨道载入，第二种为单级轨道吸气式飞行器上升阶段，第三种为航天飞机轨道器下降过程。从图中可以看出，在第一种情况下，球体表面热流在很短的时间内就能达到最大值；而在第三种情况下，较长时间内球体表面仍保持着最大的热流密度。TPS 的主要功能便是控制进入飞行器的热流，使底层主体结构维持在所允许的温度范围内[2,3]。

近十年来，高超声速技术研究如火如荼地进行，尽管在取得重大突破的同时，还在部分相关型号上获得飞行演示验证，但满足新型飞行器构型和轨道要求的“新热障”问题仍然是一个难以回避的重大问题。空间、临近空间和大气层内长时间高超声速滑翔/巡航/轨道机动飞行，是目前多种新型空天飞行器发展的热点和未来发展趋势，飞行速度的提高和机动能力的提升促使许多传统热防护系统观念发生了改变[5]。尤其是近年来，随着载人航天、登月与深空探测、高超声速飞行器、重复使用运载器、空间机动飞行器等航天科技发展与航天工程的实施，对防热复合材料又提出了全新、更加可靠的技术要求，为热防护材料的发展提供了前所未有的机遇和挑战[6,7]。现有防热材料体系在高温物理化学稳定性、能量耗散效率以及有效服役时间等方面都还存在诸多不足，已成为新型飞行器研制中关键性的制约因素之一。拓展现有热防护系统及相关热防护材料的耐极端环境能力、探索新的热防护材料体系成为发展高超声速飞行器和空天飞行器技术的迫切需求。

本文在对空天飞行器用热防护材料的历史及现状进行全方位的综合评述的基础上，提出了热防护材料的发展方向，以期为未来进一步发展更加高效、可靠的热防护材料提供参考。