浅谈航天飞行器的热防护

刘 洋，刘瑞勋，郭 锐，樊 宇，刘庆龙

（天津航天长征火箭制造有限公司，天津 300462）

1 航天飞行器在结构、弹道上的热防护

航天飞船之类的飞行器，在再入大气层时，一般采用的是弹道式再入加降落伞的方法。按照我们的固有理念来说，尖锐的头部结构造型可以减少气动摩擦，从而避免表面升温。但实际情况远非如此，再入过程中的高速度使得升温过程太快，尖锐头部对减小气动加热的作用微乎其微。

1951年美国物理学家亨利·艾伦发现，高速航天器对前方的空气形成强烈的压缩，在前方形成一个伞状的空气锥。前端静态空气加热的是空气锥，而不是航天器本身，因此他提出航天器的头部应该是钝形的，详见图1.圆钝形头部前方的空气温度可超过5 000℃，而航天器表面温度在1 200℃左右，说明了钝形气动布局的有效性，也就形成了目前我们常用的结构，我们也叫它“防热大底”或者“热盾”。

在弹道设计上，最典型的防热例子就是航天飞机再入大气层。航天飞机在返回时要严格按照一条精细计算过的弹道返回，这样不仅仅是确保降落时的准确性，更重要的是，这条弹道要具有瞬时气动加热和累计气动加热之间最小化的条件，最大限度地降低热效应。

图1 热盾的原理图

2 防热材料在航天飞行器结构件中的应用

只依靠结构布局和弹道设计上的防护，对航天器来说是远远不够的，超过1 600℃以上的高温要求我们在此基础上对防热材料进行深入研究，为减缓热效应提供帮助。

一般情况下，我们将结构防热技术分为吸热式结构、辐射式结构、烧蚀式结构、发汗式结构4种。

吸热式结构又叫作热沉式结构，是利用材料自身热容吸热来达到防热目的的一种方式，通常采用比热容大、熔点高、导热率大的结构材料，如铍、石墨等。烧蚀式防热结构是目前应用最广泛的一种方法，它利用材料的相变吸热和质量交换来达到防热目的，通常采用导热系数小、相变温度高的材料，比如石墨和聚四氟乙烯、玻璃-酚醛、石英-酚醛、高硅氧-酚醛、尼龙-酚醛、涤纶-酚醛、有机硅树脂和热塑环氧等。

辐射式防热结构由耐热外蒙皮、隔热层和内部结构组成，外蒙皮由高辐射率的耐热材料或表面涂有高辐射涂层的材料构成，受热时，以辐射的形式向外散热。

发汗式结构是利用气体或者液体发汗剂从多孔表面中挤出并分解和气化，利用固体发热剂在气动加热下的气化来吸收热量，其优点是保持外形结构不变，抗侵蚀性好。

3 实际生产中接触的防热材料简介

在我们的实际生产过程中，中国新一代运载火箭应用较多的几种防热材料如下。

3.1 防热尾裙

目前，新一代运载火箭各部段的尾裙防热装置在选材上有所不同。例如，A部段材料选择是1层薄漆布（加热面）＋2层厚漆布＋1层氟四布＋1层薄漆布＋4 mm柔性隔热毡，共6层，最高背温276.8℃；B部段材料选择是8 mm柔性隔热毡，最高背温541.6℃。

漆布就是硅橡胶涂覆玻璃布，有薄、厚两种，厚度分别为0.28±0.04 mm和1.9±0.5 mm。然后是柔性隔热毡，柔性隔热毡的主要成分是石英纤维。防热尾裙允许烧蚀，但不允许烧漏。第一层漆布主要起机械防护作用，两层厚漆布主要起烧蚀防热作用，柔性隔热毡的主要作用是隔热。

3.2 镀铝薄膜

镀铝薄膜在我们日常生产中的应用还是比较广泛的。镀铝薄膜是在高真空度的条件下，用电阻、高频或电子束加热铝，使其融化为蒸汽，附着在基材表面制成薄膜，形成一种电镀的效果。它具有以下特点：①成本更低；②具有良好的耐折性和韧性；③具有极佳的金属光泽，表面反射率能达到92%；④镀铝层导电性好。

3.3 聚酰亚胺

我们目前所使用的镀铝薄膜的基材就是聚酰亚胺，聚酰亚胺本身是一种极好的防热有机高分子材料。聚酰亚胺本身呈现金黄色，主要具有以下突出性能：①优异的机械性能。现在的加强型有的可以达到400 MPa的抗拉强度。②突出的耐腐蚀性。一般的有机溶剂都不会对它造成影响。③绝佳的耐热性能。聚酰亚胺制品的可靠工作温度在-100～300℃之间。聚酰亚胺广泛地与铝箔结合作为组合体使用。

3.4 玻璃纤维

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类多、绝缘性好、耐热性强、不可燃、机械强度高，有良好的阻燃性。但是玻璃纤维不耐磨，而且比较脆。

3.5 陶瓷纤维

陶瓷纤维带，又叫耐火陶瓷纤维带。它是一种轻质、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小、耐机械振动的材料，但不是太耐磨。普通的陶瓷纤维又叫硅酸铝纤维或陶瓷纤维。如果添加氧化锆或者氧化铬，陶瓷纤维的耐温性会更高。

4 结束语

航天科技的发展是人类科技进步的重要动力之一，航天领域的发展不可避免地要解决越来越严酷的热环境问题，越来越先进的材料和越来越优化的结构设计、弹道设计为我们保驾护航，让热环境不再成为束缚我们走向深空的枷锁，让更多更先进的航天飞行器的诞生成为可能，追逐浩瀚星空梦想也将因此而得到更多的助力。

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