輕質(zhì)燒蝕材料的研究現(xiàn)狀與展望

伊翠云 劉甲秋 陳英函

摘 要 隨著對(duì)太空探測(cè)的深入，高速飛行器在飛行過(guò)程中面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的氣動(dòng)加熱問(wèn)題，對(duì)飛行器熱防護(hù)材料的輕量化、隔熱以及高熱流條件下長(zhǎng)時(shí)間飛行提出了更高的要求，所以輕質(zhì)燒蝕材料的研究受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文針對(duì)我國(guó)航天器對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)輕量化的需求，重點(diǎn)介紹了蜂窩增強(qiáng)燒蝕材料和氣凝膠材料，并針對(duì)輕質(zhì)燒蝕材料的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 輕質(zhì)燒蝕材料; 熱防護(hù); 太空探測(cè); 隔熱

Research Status and Prospects of Lightweight

Ablative Materials

YI Cuiyun， LIU Jiaqiu， CHEN Yinghan

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT Nowadays， science and technology are developing rapidly. With the deepening of space exploration and the development of high-speed vehicles， making the vehicle in the flight process is facing increasingly serious aerodynamic heating problems， this has placed higher demands on the thermal protection materials used in aircraft in terms of lightweight， thermal insulation， and prolonged flight under high heat flow conditions， so research on lightweight ablative materials has received a lot of attention at home and abroad. In this paper， according to the demand of lightweight thermal protection system for spacecraft in our country. Focus on introduction honeycomb reinforced ablative materials and aerogel material， and provides an outlook on the development of lightweight ablative materials.

KEYWORDS lightweight ablative materials; thermal protection; space exploration; heat insulation

1 引言

隨著太空探測(cè)的深入，高速飛行器承受氣動(dòng)加熱的問(wèn)題日益凸顯。在航天飛行過(guò)程中衛(wèi)星、飛船等航天器［1］再入大氣層時(shí)經(jīng)過(guò)氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的溫度極高，并且周?chē)鷼饬髯兓哺鼮閺?fù)雜，由此對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)在確保有效載荷安全、耐溫、適應(yīng)流場(chǎng)變化等能力方面提出了更高的要求。熱防護(hù)系統(tǒng)是保障航天器在極端環(huán)境下服役的子系統(tǒng)［2］，是空間飛行器的一個(gè)重要組成部分。通過(guò)對(duì)熱防護(hù)系統(tǒng)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，達(dá)到保護(hù)飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受在大氣進(jìn)入時(shí)氣動(dòng)加熱造成的損壞。在飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)研制的過(guò)程中，曾出現(xiàn)4種熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，即熱沉式、輻射式、發(fā)汗冷卻式和燒蝕式。其中燒蝕防熱由于熱防護(hù)效率高、安全系數(shù)高、可靠度高，并且能夠通過(guò)質(zhì)量交換和熱量交換進(jìn)行自身調(diào)節(jié)等比其他防熱措施具備簡(jiǎn)單便捷等優(yōu)點(diǎn)［3］，成為高熱流密度環(huán)境下的唯一可行防熱方法，也是目前再入飛行器的主要防熱方法。燒蝕防熱利用燒蝕材料在持續(xù)高溫環(huán)境下工作時(shí)，以自身的機(jī)械剝蝕，熱化學(xué)反應(yīng)等將施加于材料表面的高溫?zé)崃鬓D(zhuǎn)化為背向材料表面向外的質(zhì)量流和輻射流，以消耗材料的方式帶走大量的熱量，降低向材料內(nèi)部與結(jié)構(gòu)中熱量的傳遞，這種防熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般將燒蝕材料直接膠接在承力結(jié)構(gòu)上使用，并且燒蝕材料密度普遍較小，使結(jié)構(gòu)更緊湊、質(zhì)量更輕［4］，燒蝕防熱模型如圖1所示。

燒蝕材料是保證航天器穩(wěn)定的關(guān)鍵材料［5-6］。目前針對(duì)不同的熱環(huán)境已經(jīng)發(fā)展了多種結(jié)構(gòu)形式和基于不同防熱機(jī)理的燒蝕材料，形成了以硅橡膠等為基體的輕質(zhì)燒蝕材料。本文重點(diǎn)介紹蜂窩燒蝕材料和氣凝膠的研究現(xiàn)狀并進(jìn)行展望。

2 輕質(zhì)燒蝕材料的研究進(jìn)展

1955年美國(guó)紅石兵工廠通過(guò)火箭燃?xì)鉄g用隔熱條增強(qiáng)的三聚氰胺樹(shù)脂發(fā)現(xiàn)了燒蝕現(xiàn)象，燒蝕熱防護(hù)研究自此成為了科研領(lǐng)域中的焦點(diǎn)。燒蝕熱防護(hù)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，成為熱防護(hù)技術(shù)中最成熟的方式。科學(xué)家們通過(guò)研究飛船返回艙的防熱機(jī)制，得出了燒蝕材料的熱阻塞效應(yīng)。根據(jù)這一理論得知，燒蝕材料在熱防護(hù)過(guò)程中大部分熱量是被質(zhì)量損耗帶走，基于這一研究成果，大量的輕質(zhì)燒蝕材料被研制并得到廣泛應(yīng)用。本文簡(jiǎn)述主要的輕質(zhì)燒蝕材料，包括蜂窩增強(qiáng)燒蝕材料和氣凝膠防熱材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用。

2.1 蜂窩增強(qiáng)燒蝕材料

蜂窩材料的主要形式為六邊形孔隙網(wǎng)格，并且其局部損壞對(duì)整體力學(xué)性能影響不大，可以提高整體結(jié)構(gòu)效率，從而具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、隔熱的優(yōu)異性能。蜂窩結(jié)構(gòu)材料作為燒蝕防熱材料往往需要向其中添加低密度填料，使其結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成高孔隙，達(dá)到提高隔熱性能和降低密度的目的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域［7］。

2.1.1 玻璃纖維/酚醛蜂窩增強(qiáng)雙組份甲基硅橡膠DC325/HC

上世紀(jì)60年代，美國(guó)載人飛船雙子星的防熱大底采用玻璃纖維/酚醛蜂窩增強(qiáng)雙組分甲基硅橡膠，通過(guò)添加玻璃微球提高DC325/HC隔熱性能并降低了密度［8］，其成型方法是采用將硅橡膠和功能梯度填料震動(dòng)灌注蜂窩芯的方法，由于DC325/HC表現(xiàn)出的高熱阻塞效應(yīng)以及耐高溫等優(yōu)良性能，提供了一種近地軌道再入式策略，確保了雙子星多次完成再入式任務(wù)，然而DC325/HC被多次用于衛(wèi)星再入任務(wù)時(shí)也具有界面粘結(jié)性差，密度相對(duì)較高，燒蝕熱效率低等不足。

2.1.2 酚醛玻璃纖維蜂窩填充酚醛樹(shù)脂 AVCOAT

為了滿足登月計(jì)劃的需求，美國(guó)針對(duì)防熱材料DC325/HC的不足，開(kāi)始進(jìn)行新型防熱材料的研制。在進(jìn)行載人登月計(jì)劃時(shí)發(fā)現(xiàn)，阿波羅飛船從月球以接近第二宇宙速度返回所承受的熱環(huán)境更為嚴(yán)酷，是近地軌道的3-5倍，再入軌道超120m，這要求熱防護(hù)材料具有更高的抗氣流剪切能力，然而多樣化的燒蝕機(jī)理已經(jīng)超出了主要依靠熱阻塞效應(yīng)的蜂窩增強(qiáng)硅橡膠DC35/HC的使用范圍。其次，再入時(shí)要求表面燒蝕層不能開(kāi)裂、不能脫落，對(duì)表面燒蝕層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性要求更高，為了滿足登月計(jì)劃的需要，美國(guó)采用灌注槍將低密度材料手工灌注至已經(jīng)粘接在材料上的蜂窩結(jié)構(gòu)中的制作方法，研制了密度為0.55g/cm3的Avcoat5026-39HC/G［9］。Avcoat系列燒蝕材料保證了阿波羅飛船完成了8次登月任務(wù)，被認(rèn)為是最可靠，最安全耐用的燒蝕材料。

美國(guó)NASA研制的獵戶座飛行器用于載人探測(cè)月球，其尺寸比阿波羅號(hào)大30%，承受的峰值熱流是雙子星執(zhí)行任務(wù)時(shí)的5倍以上，這對(duì)滿足近地軌道和月地軌道返回所需防熱材料提出了更高的要求。經(jīng)過(guò)一系列研究，Avcoat系列燒蝕材料被選為新一代飛船獵戶座的防熱大底［10］。2014年，使用了新一代Avcoat的獵戶座載人探測(cè)飛船歷經(jīng)4.5h飛行后，墜入太平洋海域，完成了首次探測(cè)飛行測(cè)試。返回后的獵戶座大底如圖2所示。

2.1.3 碳/酚醛蜂窩填充酚醛樹(shù)脂 PhenCarb

為了滿足深空探測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展以及為AVCOAT系列燒蝕材料尋找替代材料，美國(guó)應(yīng)用研究協(xié)會(huì)（ARA）研制了密度在0.32g/cm3-0.58g/cm3之間的PhenCarb，采用了Flex Core蜂窩結(jié)構(gòu)，將含有酚醛樹(shù)脂和低密度混合填料灌注蜂窩，這使PhenCarb具有極好的損傷愈合能力。

NASA采用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)PhenCarb進(jìn)行防熱評(píng)定，試驗(yàn)結(jié)果表明PhenCarb可長(zhǎng)時(shí)間用于575W/cm2的熱流密度環(huán)境中，也可比較短時(shí)（25s以內(nèi)）的在725W/cm2環(huán)境中進(jìn)行工作，甚至可以瞬時(shí)承受住1000W/cm2的熱環(huán)境。由于PhenCarb［11］具有低密度，高防熱性能的優(yōu)點(diǎn)，其被選作探測(cè)土星六的防熱材料，為土星六的探測(cè)保駕護(hù)航。

2.1.4 波音輕質(zhì)燒蝕材料BLA

BLA是由美國(guó)波音公司研制的一種輕質(zhì)燒蝕材料，主要原材料是有機(jī)硅，具有低密度的特性（密度約為0.32g/cm3）。BLA的制備方法簡(jiǎn)單，可采用模壓成型工藝以及熱壓罐工藝進(jìn)行產(chǎn)品的制備，BLA經(jīng)過(guò)1750℃以上的高溫測(cè)試，線性燒蝕率為0.0762mm/s，抗燒蝕性能優(yōu)異［12］。BLA在X-51彈體和“星際線”號(hào)飛船上應(yīng)用，此外增加蜂窩結(jié)構(gòu)的BLA系列燒蝕材料被用于飛行器的噴氣管［13］。

2.2 氣凝膠材料

氣凝膠是通過(guò)溶膠-凝膠工藝和超臨界干燥技術(shù)制備而成的多孔結(jié)構(gòu)［14］，具備比其他固體更低的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、折射率和介電常數(shù)，吸引了各個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)者進(jìn)行研究，氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛［15-16］，如在防熱、動(dòng)能吸收等方面均有應(yīng)用，目前比較具有代表性的氣凝膠是硅基氣凝膠和碳基氣凝膠。

2.2.1 硅基氣凝膠

硅基氣凝膠研究開(kāi)展較早，相應(yīng)制備技術(shù)在各類氣凝膠中最為成熟。其中SiO2氣凝膠具有輕質(zhì)、超低熱導(dǎo)率、耐高溫（超過(guò)800℃）等優(yōu)勢(shì)，在防熱領(lǐng)域具有廣闊的前景。然而，純SiO2氣凝膠韌性低，吸濕性嚴(yán)重［17］等缺點(diǎn)制約了在航天工業(yè)的應(yīng)用，因此純SiO2氣凝膠無(wú)法單獨(dú)作為防熱材料使用，需要對(duì)氣凝膠進(jìn)行復(fù)合改性處理［18］。通過(guò)幾十年的發(fā)展，美國(guó)ASP-EN［19］公司研究并開(kāi)發(fā)了纖維增強(qiáng)硅基氣凝膠復(fù)合材料改善純SiO2氣凝膠的缺點(diǎn)，用于熱防護(hù)系統(tǒng)的研究。NASA Ames中心［20］將陶瓷纖維和SiO2氣凝膠進(jìn)行復(fù)合，材料密度在0.13g/cm3-0.37g/cm3之間，隔熱性能提高數(shù)十倍。國(guó)內(nèi)的研制雖然起步較晚，但現(xiàn)在也已經(jīng)研制［21］出了一系列SiO2氣凝膠，并批量應(yīng)用于國(guó)內(nèi)飛行器隔熱層，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)等領(lǐng)域中。

2.2.2 碳基氣凝膠

碳基氣凝膠是通過(guò)有機(jī)氣凝膠碳化，由三維相互連接的膠體碳納米管顆粒和開(kāi)放的多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)組成。由于納米多孔材料具有低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)、高熱穩(wěn)定性和高抗震性，因此在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用具有很好的前景，獲得廣大科研工作者的關(guān)注。

Mohammad［22］等人采用真空浸漬法制備了不同密度和微觀結(jié)構(gòu)的碳基氣凝膠輕質(zhì)復(fù)合燒蝕材料，并研究了其機(jī)械強(qiáng)度和形貌，通過(guò)恒定加熱速率為2.5 MW/m2的氧乙炔火焰試驗(yàn)，分析了燒蝕過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演化。結(jié)果表明，CALCAs具有良好的抗壓強(qiáng)度（3.2MPa-9MPa）和低線性燒蝕率（低至0.117mm/s），表現(xiàn)出防隔熱一體化。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著深空探測(cè)的進(jìn)一步深入以及航天工業(yè)的迅猛發(fā)展，輕質(zhì)燒蝕材料的研究將成為航空航天事業(yè)發(fā)展深度與廣度中最重要的一環(huán)，同時(shí)輕質(zhì)燒蝕材料的研究對(duì)高端武器裝備有重大意義。高性能、低成本、輕質(zhì)化是輕質(zhì)燒蝕材料的發(fā)展重點(diǎn)，同時(shí)解決輕質(zhì)燒蝕材料存在的分層現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)一體化功能。

（1）早期燒蝕材料使用壽命較短，大多只為單次任務(wù)保障不能重復(fù)利用。如今，輕質(zhì)燒蝕材料在國(guó)外已經(jīng)有可重復(fù)性使用的案例，并且積累了許多的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)重點(diǎn)研究可重復(fù)使用的燒蝕材料。我國(guó)神舟系列飛船采用的燒蝕材料為H96/H88系列蜂窩增強(qiáng)硅橡膠燒蝕材料，材料種類比較少，需要在未來(lái)提高輕質(zhì)燒蝕材料的研究，提高創(chuàng)新思維，積極探索新的配方。

（2）善于利用仿真軟件同試驗(yàn)相結(jié)合的方法，在保證可靠性的同時(shí)減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約時(shí)間和成本，盡量直觀表述材料力學(xué)性能和防熱性能。

（3）在未來(lái)深空探測(cè)道路上，輕質(zhì)燒蝕材料研究將是決定熱防護(hù)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，值得進(jìn)行更加深入的研究。通過(guò)資金投入，鼓勵(lì)廣大科研工作者進(jìn)行輕質(zhì)燒蝕材料的探索和研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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