淺談航天飛行器的熱防護

劉 洋，劉瑞勛，郭 銳，樊 宇，劉慶龍

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

1 航天飛行器在結構、彈道上的熱防護

航天飛船之類的飛行器，在再入大氣層時，一般采用的是彈道式再入加降落傘的方法。按照我們的固有理念來說，尖銳的頭部結構造型可以減少氣動摩擦，從而避免表面升溫。但實際情況遠非如此，再入過程中的高速度使得升溫過程太快，尖銳頭部對減小氣動加熱的作用微乎其微。

1951年美國物理學家亨利·艾倫發現，高速航天器對前方的空氣形成強烈的壓縮，在前方形成一個傘狀的空氣錐。前端靜態空氣加熱的是空氣錐，而不是航天器本身，因此他提出航天器的頭部應該是鈍形的，詳見圖1.圓鈍形頭部前方的空氣溫度可超過5 000℃，而航天器表面溫度在1 200℃左右，說明了鈍形氣動布局的有效性，也就形成了目前我們常用的結構，我們也叫它“防熱大底”或者“熱盾”。

在彈道設計上，最典型的防熱例子就是航天飛機再入大氣層。航天飛機在返回時要嚴格按照一條精細計算過的彈道返回，這樣不僅僅是確保降落時的準確性，更重要的是，這條彈道要具有瞬時氣動加熱和累計氣動加熱之間最小化的條件，最大限度地降低熱效應。

圖1 熱盾的原理圖

2 防熱材料在航天飛行器結構件中的應用

只依靠結構布局和彈道設計上的防護，對航天器來說是遠遠不夠的，超過1 600℃以上的高溫要求我們在此基礎上對防熱材料進行深入研究，為減緩熱效應提供幫助。

一般情況下，我們將結構防熱技術分為吸熱式結構、輻射式結構、燒蝕式結構、發汗式結構4種。

吸熱式結構又叫作熱沉式結構，是利用材料自身熱容吸熱來達到防熱目的的一種方式，通常采用比熱容大、熔點高、導熱率大的結構材料，如鈹、石墨等。燒蝕式防熱結構是目前應用最廣泛的一種方法，它利用材料的相變吸熱和質量交換來達到防熱目的，通常采用導熱系數小、相變溫度高的材料，比如石墨和聚四氟乙烯、玻璃-酚醛、石英-酚醛、高硅氧-酚醛、尼龍-酚醛、滌綸-酚醛、有機硅樹脂和熱塑環氧等。

輻射式防熱結構由耐熱外蒙皮、隔熱層和內部結構組成，外蒙皮由高輻射率的耐熱材料或表面涂有高輻射涂層的材料構成，受熱時，以輻射的形式向外散熱。

發汗式結構是利用氣體或者液體發汗劑從多孔表面中擠出并分解和氣化，利用固體發熱劑在氣動加熱下的氣化來吸收熱量，其優點是保持外形結構不變，抗侵蝕性好。

3 實際生產中接觸的防熱材料簡介

在我們的實際生產過程中，中國新一代運載火箭應用較多的幾種防熱材料如下。

3.1 防熱尾裙

目前，新一代運載火箭各部段的尾裙防熱裝置在選材上有所不同。例如，A部段材料選擇是1層薄漆布（加熱面）＋2層厚漆布＋1層氟四布＋1層薄漆布＋4 mm柔性隔熱氈，共6層，最高背溫276.8℃；B部段材料選擇是8 mm柔性隔熱氈，最高背溫541.6℃。

漆布就是硅橡膠涂覆玻璃布，有薄、厚兩種，厚度分別為0.28±0.04 mm和1.9±0.5 mm。然后是柔性隔熱氈，柔性隔熱氈的主要成分是石英纖維。防熱尾裙允許燒蝕，但不允許燒漏。第一層漆布主要起機械防護作用，兩層厚漆布主要起燒蝕防熱作用，柔性隔熱氈的主要作用是隔熱。

3.2 鍍鋁薄膜

鍍鋁薄膜在我們日常生產中的應用還是比較廣泛的。鍍鋁薄膜是在高真空度的條件下，用電阻、高頻或電子束加熱鋁，使其融化為蒸汽，附著在基材表面制成薄膜，形成一種電鍍的效果。它具有以下特點：①成本更低；②具有良好的耐折性和韌性；③具有極佳的金屬光澤，表面反射率能達到92%；④鍍鋁層導電性好。

3.3 聚酰亞胺

我們目前所使用的鍍鋁薄膜的基材就是聚酰亞胺，聚酰亞胺本身是一種極好的防熱有機高分子材料。聚酰亞胺本身呈現金黃色，主要具有以下突出性能：①優異的機械性能。現在的加強型有的可以達到400 MPa的抗拉強度。②突出的耐腐蝕性。一般的有機溶劑都不會對它造成影響。③絕佳的耐熱性能。聚酰亞胺制品的可靠工作溫度在-100～300℃之間。聚酰亞胺廣泛地與鋁箔結合作為組合體使用。

3.4 玻璃纖維

玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料，種類多、絕緣性好、耐熱性強、不可燃、機械強度高，有良好的阻燃性。但是玻璃纖維不耐磨，而且比較脆。

3.5 陶瓷纖維

陶瓷纖維帶，又叫耐火陶瓷纖維帶。它是一種輕質、耐高溫、熱穩定性好、導熱率低、比熱小、耐機械振動的材料，但不是太耐磨。普通的陶瓷纖維又叫硅酸鋁纖維或陶瓷纖維。如果添加氧化鋯或者氧化鉻，陶瓷纖維的耐溫性會更高。

4 結束語

航天科技的發展是人類科技進步的重要動力之一，航天領域的發展不可避免地要解決越來越嚴酷的熱環境問題，越來越先進的材料和越來越優化的結構設計、彈道設計為我們保駕護航，讓熱環境不再成為束縛我們走向深空的枷鎖，讓更多更先進的航天飛行器的誕生成為可能，追逐浩瀚星空夢想也將因此而得到更多的助力。

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