材料防熱的多尺度現(xiàn)象與防熱建模

俞繼軍, 鄧代英, 羅曉光, 高俊杰, 艾邦成

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院航天飛行器氣動熱防護重點實驗室,北京 100074)

引 言

新型高速飛行器返回再入及其在大氣層內(nèi)飛行的過程中面臨多樣化的氣動加熱環(huán)境,材料高溫?zé)犴憫?yīng)特性與飛行熱環(huán)境密切相關(guān).受飛行器外形、彈道、用途等差異影響,各類型飛行器所承受的熱環(huán)境特征有明顯區(qū)別.對于返回式衛(wèi)星、地球再入飛船、火星著陸器等,其主要任務(wù)是將人或貨物安全運送至地面,通常設(shè)計為大鈍頭倒錐外形以減小所承受的氣動加熱,其大底部位氣動加熱環(huán)境具有熱流相對較低、焓值較高的特點,表面防熱層通常采用防熱和隔熱性能均較好的低密度樹脂基防熱材料.例如我國成功發(fā)射并回收的大部分返回式衛(wèi)星中,經(jīng)歷的最大熱流約350 kW/m2,總加熱時間在130～154 s之間,采用的主要防熱形式為硅橡膠防熱涂層和鈦合金結(jié)構(gòu)[1];對于再入飛船,有效載荷需求相比返回式衛(wèi)星大幅增加,所承受的氣動加熱也明顯提高,美國早期的“水星號”“雙子星座號”以及用于月球探測返回的“阿波羅號”飛船,其大底最高熱流達到了2 604 kW/m2,再入時間約為390～980 s,采用的表層防熱材料同樣為低密度樹脂基類防熱材料,例如DC-325,Avcoat5026-39[2];我國“神舟號”系列載人飛船大底承受的最大氣動加熱約為1 700 kW/m2,再入時間為400～600 s,駐點焓值約30 MJ/kg,采用低密度燒蝕材料H88,H96和中密度玻璃鋼材料MD2相結(jié)合的方式,在耐低溫性能、成型效率和成型質(zhì)量等方面均相當(dāng)或……