Al2O3纤维在空间充气式气动阻尼结构中的应用

曹 旭

（北京空间机电研究所 ,北京 100076）

1 引言

随着航天技术和航天活动的不断发展,再入着陆技术的作用和地位将越来越重要,因此,必须研发适合新形势和新技术要求的、先进的回收技术。新型充气式气动阻尼结构（Inflatable Aerodynamic Decelerator Structures,IADS）是一种充气的弹道式大气再入飞行器,是一种在再入过程中,利用充气形成的气动外形提供升力或阻力,并由表面耐高温的柔性防热材料提供热防护,最后由自身的充气结构实现着陆缓冲从而安全到达地面的航天回收系统。IADS巧妙地将传统返回飞行器的热防护系统（Thermal Protection System,TPS）、降落伞减速装置和着陆缓冲/漂浮系统集成为一体。图1为俄罗斯充气式再入和下降技术（Inflatable Re-entry and Descent Technology,IRDT）试验飞行器的结构示意图。

图1 俄罗斯IRDT试验飞行器的主要结构

IADS作为一种新型的航天回收技术,其优点是:返回过程工作程序少,质量轻,对有效载荷适应性强,外形设计灵活、容积利用率高,系统组成简单。

近几年,IADS得到了长足发展,美、俄等国在关键技术攻关方面取得了很大突破。IADS的关键技术涵盖了多个学科,主要包括:1）轻质柔性热防护材料技术;2）充气展开机构设计;3）折叠包装技术。在上述技术中,最为关键的是柔性热防护材料技术[1]。IADS的TPS采用柔性防热材料,使再入式飞行器在气动热环境中免遭烧毁和过热。尽管通过适当的气动外形设计可使气动加热大为减小,但当再入速度足够大时,热量仍可以使IADS在着陆前烧毁。传统再入式航天器的TPS一般使用刚性烧蚀性材料,而IADS必须采用柔性材料,对柔性防热材料开展详细研究具有非常重要的意义。Al2O3纤维具有较高的抗拉强度和优异的耐高温能力,在IADS中应用潜力巨大。本文结合TPS结构的特点和对柔性防热材料的要求,详细介绍了Al2O3纤维的性能,对其在IADS中的应用情况进行了论述,为研制柔性TPS提供参考。

2 充气式气动阻尼结构的热防护系统

2.1 性能和特点

轻质柔性防热材料的设计是IADS的核心。IADS的TPS由若干层柔性编织防热织物构成,其材料应具备轻质、耐高温、柔性和可折叠的特点[2]。在回收任务中,对材料的力学性能和热性能都有较高的要求,材料应能承受较高的冲击载荷和高达1 000℃的温度。由于局部（如迎风的头部）热流密度较大,因此在局部还要采取特殊的防热措施,进行防烧蚀处理。

IADS的TPS应满足以下要求:1）质量尽可能小;2）在1 000℃高温下仍能保持材料的性能;3）柔性好,经折叠后不发生破坏;4）阻气性能好;5）在高温下表面无烧蚀,出现剥落时应保持线性化整体剥落,表面无碳化。

2.2 结构组成

根据以上要求,TPS应采用多层防热结构（Multi-Layer Insulator,MLI）,从外到内依次为:防热层、隔热层、阻气层。防热层位于TPS的最外面,承受最高的温度,主要用来阻隔热流。防热层多使用高强轻质的柔性编织材料,如Al2O3纤维、碳纤维等。中间的隔热层承受的温度较防热层低,主要用来防止热量向TPS内部传递,多使用碳纤维隔热毡布、无定形SiO2隔热毡布等。阻气层用来防止气体渗漏,保持充气结构的形状,多使用聚酰亚胺（Kapton）薄膜。防热层和隔热层应选用轻质可折叠的柔性耐高温材料。各层材料通过一定的连接工艺组合在一起,图2为典型的柔性TPS结构。

图2 柔性TPS的结构

3 Al2O3纤维在充气式气动阻尼结构中的应用分析

3.1 Al2O3纤维的性能

IADS外层温度最高可达1 400K,防热层材料首先要能承受如此高的温度。Al2O3纤维因其具有的较高的抗拉强度和优异的抗氧化性能,能制成各种高性能复合材料,在航空、航天领域（如火箭、飞船、飞机的防热组件）具有广泛的用途,是TPS防热层的首选纤维。

Al2O3纤维是氧化物陶瓷纤维的一种,是目前研究和应用最为广泛的氧化物陶瓷纤维,它以Al2O3为主要成分,还包括SiO2、B2O3等,具有高强度、高模量、超常的耐热性和耐高温氧化性、热导率小、热膨胀系数低、抗腐蚀等特点,主要用于高温隔热材料（短纤维）和增强复合材料（长纤维）,可编织成织物、无纺布、编织带、绳索等各种形状的纤维制品。

目前世界上可进行商业化生产的Al2O3纤维主要有DuPont的FP、PRD-166,3M的Nextel系列纤维,日本Sumitomo的Altel Al2O3等,其中3M公司生产的Nextel系列纤维年产量大,综合性能优异,生产工艺稳定,可编织成织物、编织带、绳索等,市场占有率较高,已经较为广泛地应用于耐火材料领域[3],在航空航天领域也具有广阔的应用前景。

本文以3M公司的Nextel纤维为例,对Al2O3纤维的性能进行综述。

3M公司通过加入不同含量的添加剂来抑制晶粒的生长、改善Al2O3纤维的强度,其生产的Nextel系列纤维的主要成分为Al2O3-硼硅酸盐（牌号312&440）、Al2O3-硅酸盐（牌号550&720）和Al2O3（牌号610）长纤维,纤维直径7～13μ m。

Nextel纤维家族能够满足不同的需要:Nextel 312、440、550主要用于非承力结构,隔热性能十分出色;Nextel 610、720可用于制造承受较大载荷的金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料;Nextel 312和440纤维由Al2O3、SiO2和B2O3组成,2种纤维组成原料的成分不同。由于存在B2O3,纤维纺丝原液中存在液晶相和玻璃相,它们能够阻止晶粒长大,帮助纤维在高温下保持强度;Nextel550纤维不存在玻璃相,当纤维暴露在1 200℃以上的环境时,Nextel 550的强度要低于Nextel 440（后者组成包括莫来石）;用于制造复合材料的Nextel 610和720存在帷α-Al2O3,但不含有任何玻璃相,纤维能在高温下保持较高的强度,Nextel 610在室温下的拉伸强度最高,因而十分适合制造金属基复合材料,但它的拉伸强度随温度的升高下降很快。

如果材料不承受大的载荷,选择成本较低的非结构纤维即可,如Nextel 312、440、550等,IADS的TPS防热层可采用上述纤维。各种常用的Nextel纤维的性能如表1所示[4]。

表1 Nextel纤维的性能参数

根据3M公司的试验结果,Nextel系列纤维的耐热性能如图3所示。可以看出,在温度低于1 000℃时,Nextel纤维的强度保持率非常高,除312纤维外,其余均在85%以上,而312纤维在1 000℃的强度保持率也在55%以上。当温度升高至1 200℃时312纤维的强度为0,即纤维分解,其余纤维的强度保持率仍然非常高,均在85%以上。强度保持率最低的是440纤维,但仍超过65%。当温度为1 400℃时,只有720纤维的强度保持率在85%以上,550和610纤维的强度保持率基本相同,约30%,440纤维分解。根据以上试验结果,当使用温度在1 000℃～1 400℃时,Nextel系列纤维能够满足防热要求。

图3 Nextel系列纤维在不同温度下的强度保持率

3.2 Al2O3纤维的制备方法

Al2O3纤维的生产工艺简单,可以直接从水溶液、悬浊液、溶胶或其他一些有机溶液中纺丝,也可以胶粘丝为接替纤维来制备,对生产设备要求不高;可以在空气中直接进行无机化,不需惰性气体保护。相对于SiC和碳纤维,Nextel无机纤维的生产成本要低很多[5]。

Al2O3纤维的主要制备工艺方法有:溶胶-凝胶法、混合液纺丝法、卜内门法、基体纤维浸渍溶液法等。3M公司采用溶胶-凝胶法制备Nextel纤维,在含有甲酸根离子和乙酸根离子的Al2O3溶胶中,加入作为硅组分的硅溶胶和作为B2O3组分的H3BO3,得到混合溶液,将混合溶液浓缩成粘度较高的溶胶,进行挤出纺丝,将纤维原丝进行干燥,然后在1 000℃以上、有张力的条件下进行烧结,得到连续Al2O3纤维。采用溶胶-凝胶法可制得性能优异的Al2O3纤维。这种制备方法工艺简单,可设计性强,产品多样化,发展潜力巨大[6-7]。

3.3 Al2O3纤维在充气式气动阻尼结构中的应用

充气式再入和返回技术近几年受到了世界各国的重视,然而早在几十年前国外就开始了相关的研究,美国、俄罗斯和欧空局对充气式再入飞行器进行了多年研究和试验工作,在柔性防热材料方面已经取得了快速发展[8-10]。

Al2O3纤维具有优异的耐高温性能和柔性,可根据高温操作环境的需要制成编织物,特别是3M公司的Nextel系列纤维,在国外充气式再入飞行器中已得到了广泛应用。

3.3.1 充气式气球伞

美国ILC Dover公司在早期附体型充气减速器的基础上为火星登陆计划设计了一种新型充气式气球伞,其TPS为多层柔性隔热结构（MLI）,组成材料为:陶瓷基纤维、碳布、金属箔以及表面贴金属箔的聚酰亚胺。

根据充气式气球伞所受的气动热不同,多层防热结构的层数有所不同,因此材料的厚度随位置的不同而不同。在气动加热最严重的表面,即返回舱与气囊的结合部,ILC Dover公司设计了多达25层材料组成柔性TPS,最外层的陶瓷基纤维为Nextel 312纤维,其结构组成如表2所示。在充气式气球伞表面其它部分,随着气动热的逐渐降低,TPS的柔性防热材料厚度逐渐减小。

表2 美国充气式气球伞柔性TPS结构

材料名称 功能 厚度/mm 层数铝箔（Al） 阻气层 0.13 4带铝箔的Kapton（Al-Kapton） 阻气层 0.05 1 Al-Kapton 阻气层 0.008 11 Al-Kapton 阻气层 0.15 1 Kapton气囊 阻气层 0.18 1

3.3.2 充气式回收飞行器

美国航天回收系统公司于20世纪80年代中期取得了充气式航天减速/回收系统的专利,即充气式回收飞行器（Inflatable Recovery Vehicle,IRV）,主要用于载荷回收和航天员救生。IRV的最高再入温度达980℃,其TPS使用Nextel 312纤维作为外层防热材料,内层的气囊材料类似高空气球使用的材料,如尼龙、涤纶等。

3.3.3 充气阻尼式再入飞行器预研项目

美国NASA Langley研究中心对充气阻尼式再入飞行器预研项目PAIDAE（The Program to Advance Inflatable-Decelerators for Atmospheric Entry）的防热材料进行了试验研究,充分利用“货架产品”（off the shelf）,使用成熟的商业产品研制了多种柔性防热材料试样,并进行了热防护试验。NASA研制的充气式气动减速器的内囊承力层采用芳纶（Kevlar）织物浸润硅树脂,其许用温度最高为250℃,减速器再入大气层时的气动热为（50～300）kW/m2,与飞行器连接处的表面压力达2kPa,柔性热防护材料必须要保护内囊材料的温度在250℃以下。

PAIDAE的柔性热防护材料由ILC Dover公司研制,使用商业化纤维材料,如Aspen Aerogel公司的Pyrogel碳纤维复合材料、3M公司的Nextel系列纤维、DuPont公司的聚酰亚胺（Kapton）薄膜等,通过组合形成多种样品,图4是NASA为PAIDAE设计的一种热防护材料的结构。

图4 美国PAIDAE的一种TPS结构

根据IADS的特点和TPS结构各层的功能,外层的防热层主要使用Nextel Al2O3纤维和碳纤维,NASA的高温烧蚀试验结果表明,BF-20即Nextel 440是较为理想的防热层材料[11]。PAIDAE的TPS各层结构的备选材料如表3所示。

表3 充气式阻尼结构热防护系统备选材料

功能层 制造商 材料牌号 材料组成 最高使用温度/℃隔热层Aspen Aerogel Pyrogel 3550 无纺碳纤维和玻璃纤维增强SiO2气凝胶毡布325 Pyrogel 6650 无纺碳纤维和玻璃纤维增强SiO2气凝胶毡布650 Hitco碳纤维复合材料公司Refrasil 1800 无定形SiO2 982 Refrasil 2000 经过残余收缩处理的无定形SiO2毡布1 093 Sigratherm KFA5 碳纤维毡布 350（氧化环境）1 200（非氧化环境）阻气层DuPont Kapton UN Kapton 400 UBE Upilex-S 耐高温Kapton 500

4 结束语

综上所述,目前国外IADS的TPS,常采用多层防热结构,外层的防热层用来阻隔热流、防止内部阻气层温度过高而破坏。采用多层防热结构可根据气动热的大小选择不同的材料和层数,设计十分灵活。

由于受到早期材料技术的限制,充气式气球伞使用Nomex纤维织物加Viton涂层作为防热层,但只能承受530K～590K的热载荷,俄罗斯IRDT公开的资料很少,其热防护材料的牌号和性能还无法得知,但根据已有的资料,它使用耐热纤维织物加热防护涂层。充气式气球伞、IRV和PAIDAE这三种充气式再入飞行器的防热层均采用或拟采用Al2O3纤维织物。

根据前面分析,Al2O3纤维具有出色的耐高温能力,柔性好、可编织,生产成本较碳纤维低,适合应用于IADS的TPS。因此加强Al2O3纤维的制备工艺和应用研究、实现Al2O3纤维的国产化对我国空间IADS的发展具有重要意义。

[1]夏刚,秦子增,张晓今.充气防热罩技术发展现状[J].导弹与航天运载技术,2002,（1）:19-24.

[2]王伟志.充气展开式新型空间回收技术展望[J].航天返回与遥感,2004,（25）1:1-5.

[3]李泉,宋慎泰.氧化铝基连续陶瓷纤维的发展现状[J].耐火材料,2006,40（1）:50-52.

[4]Nextel Ceramic Textiles TechnicalNotebook.[EB/OL].http://www.3m.com/ceramic.

[5]陈蓉,才鸿年.氧化铝长纤维的性能和应用[J].兵器材料科学与工程,2004,24（4）:70-72.

[6]王德刚,仲蕾兰,顾利霞.氧化铝纤维的制备及应用[J].化工新型材料,2002,30（4）:17-19.

[7]曹峰,李效东,冯春祥,等.连续氧化铝纤维制造、性能与应用[J].宇航材料工艺,1999,29（6）:6-10.

[8]夏刚,程文科,秦子增.充气式再入飞行器柔性热防护系统的发展状况[J].宇航材料工艺,2003,33（6）:1-6.

[9]Del Corso JA,Bruce III W E,Liles K A,et al.Thermal Analysis and Testing of Candidate Materialsfor PAIDAE Inflatable Aeroshe[R].AIAA-2009-2925.

[10]Bruce III W E.Aeroassist Inflatable Reentry System（AIRS）Thermal Protection System（TPS）Thermal Analysis[R].STSB-2006-002,2006.

[11]HughesS J,Ware J S.Deployable Aeroshell Flexible Thermal Protection System Testing[R].NASA 20090019755.