航空航天中的“防热衣”

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1、航空航天中的“放热衣”1平时人们见到的耐高温材料2“哥伦比亚”号引起的沉思第一架航天飞机升空n 年月日当地时间上午点 （北京时间点），美国航天飞机“哥伦 比亚”号在佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪 航天中心发射上天。发射时，只见“哥伦比 亚”号尾部发出一道熊熊的火焰，冒出灰白 色的烟云，接着，它凌空而起。长长的白烟 一直向天空伸展。两分多钟后，固体燃料助 推火箭脱离航天飞机，向离发射地点 公里的海洋溅落。试飞正常。2月一日，哥伦比比亚号航天飞机在返回途中不幸发生机毁人亡的灾难性事故， 噩耗传来，举世震惊。 它震惊了世界！。事故发生后，哥伦比亚航天飞机防热瓦 表层 几处裂纹首先引起了专家和媒体的高度

2、 关注防热瓦第一架航天飞机升空热瓦就相当于在墙上贴一层厚防厚的瓷砖 ，靠了这一保护层，航天飞机就能安然穿越大气层，耐受几千度的高温。从上一世纪60年代起，美国在发展载人航天器方面曾经 历了两个主要阶段，一是一次性应用的登月飞行用航天器， 而后是发展能多次往返使用的航天飞机。为了能反复使用， 需要攻克一系列技术难关，其中防热瓦就是再入大气层必须 解决的关键技术之一。通常航天飞机在返回大气层时，要经受因与大气剧烈摩擦所产生的摄氏3000度左右的高温，这一 气动加热温度在航天飞机返航、着地前16分钟左右（距地面 约60公里）时变得最大，有时人们从电视画面上看到经大气 层返回的航天飞机似一团被火球包围

3、的物体，就是这一缘故。防热瓦的隔热原理：约：约3 3厘米厚的防热瓦通常由两部分厘米厚的防热瓦通常由两部分 构成：构成：外层包覆的是不足1毫米的高辐射陶瓷材料，而内部是而内部是 导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维。从俄美两国现有的航天。从俄美两国现有的航天 器再入防热材料看，大致有以下几种：一是采用难熔金属蒙器再入防热材料看，大致有以下几种：一是采用难熔金属蒙 皮表面加涂高辐射涂层的辐射防热材料；另一种是较早期使皮表面加涂高辐射涂层的辐射防热材料；另一种是较早期使 用的吸热式防热结构材料，表面靠一层热容大的耐高温合金用的吸热式防热结构材料，表面靠一层热容大的耐高温合金

4、防热蒙皮来吸收气动热，再通过隔热材料来阻止热量传向飞防热蒙皮来吸收气动热，再通过隔热材料来阻止热量传向飞 船内部。这种材料由于重量大和成本高，现已基本不再采用船内部。这种材料由于重量大和成本高，现已基本不再采用 了；第三种是烧蚀防热材料，多用于一次性使用的飞船的再了；第三种是烧蚀防热材料，多用于一次性使用的飞船的再 入防热，入防热，主要为纤维材料或多孔颗粒加上有机物组成的低导主要为纤维材料或多孔颗粒加上有机物组成的低导 热复合材料，其原理是通过有机物热化学分解和气化带走大热复合材料，其原理是通过有机物热化学分解和气化带走大 量热量和留下的多孔碳层起到了隔热、耐高温作用。量热量和留下的多孔碳层起

5、到了隔热、耐高温作用。美国航美国航 天飞机由于需要多次往返使用，因此采用的是前面所说的表天飞机由于需要多次往返使用，因此采用的是前面所说的表 面具有高辐射性能的防热瓦隔热技术，但据说，美国航天局面具有高辐射性能的防热瓦隔热技术，但据说，美国航天局 已在考虑把最外面的一层耐高温陶瓷层改为耐高温合金层，已在考虑把最外面的一层耐高温陶瓷层改为耐高温合金层， 以解决目前防热瓦过于脆弱的问题。以解决目前防热瓦过于脆弱的问题。 四种不同类型的防热瓦。 l一种采用高温可重复使用的表面隔热材料 ，俗称高温防热瓦。它用在温度为648 1260的表面，如机身中、前段和机翼的 下表面。航天飞机再入时，以40o的攻角

6、飞 行，所以机身和机翼的下表面为迎风面， 是鼻锥和机翼前缘以外的最高热流区。此 种防热瓦约使用了20000多块，每块尺寸为 152.4毫米152.4毫米。其厚度随该处热流 水平而不同，范围为19.564毫米，覆盖 面积达480平方米，总重达4413千克。n另一种防热瓦采用碳碳复合材料。它主要 用在机身的鼻锥、机翼前缘。该防热瓦总 重约1698千克，使用的表面积约38平方米 ，使用处表面最高温度约1650，表面呈 黑色。 n 第三种防热瓦采用低温可重复使用表第三种防热瓦采用低温可重复使用表 面隔热材料。面隔热材料。它俗称低温防热瓦，用在温度371648的表面，如机身中、前段 和机身的上表面(由于

7、这些位置处在背风面 ，所以表面温度不高)。此种防热瓦共用了 7000块，每块尺寸为203毫米203毫米， 厚度随该处热流水平而变化，覆盖面积达 255平方米，总重1014 千克，经涂层处理 表面呈白色。n 最后一种防热瓦采用柔性可重复使用表面隔最后一种防热瓦采用柔性可重复使用表面隔 热材料。该防热材料是一种硅橡胶浸渍的毡状热材料。该防热材料是一种硅橡胶浸渍的毡状 物，物，用在表面温度371oC以下的部位，如机身 上表面和机翼上表面的后段以及机身两侧。每 块防热瓦的尺寸远大于上述3种防热瓦，典型的 尺寸为900毫米1200毫米。其厚度为4.816 毫米，覆盖面积达333平方米，总重约532千克

8、。由于它是一种柔性的毡状物，所以可用常温 固化硅橡胶粘贴在机身铝合金的结构上。n上几种防热瓦实际上主要是一些疏松、轻质而 呈脆性的陶瓷材料，如高温防热瓦密度为0.14 0.35克/立方厘米，由于其耐温高、隔热好、 质量轻，高温下不发生物理和化学性能的破坏 并可重复使用，因此作为航天飞机防热材料有 其独特的优点。但是，它们的这些性能却给连 接和承受力学载荷造成了很大的困难，留下了 许多隐患。n 哥伦比亚号失事是因为在起飞时遭到外力 撞击，结果导致防热瓦上出现裂缝，使得超高 温气流乘虚而入，最终造成飞机解体。任重而道远n航天飞机以其独有的重复使用性、多用途性、 经济性和良好的环境条件，为人类的航天

9、活动 开辟了新的途径，但这是以解决了大量复杂的 技术问题为代价换来的。例如，就防热设计而 言，一般返回式航天器(如返回式卫星)只使用 一次，再入防热问题较易解决，而航天飞机外 形复杂，又要重复使用，因此它在返回地面时 ，对周围空气的压缩和摩擦产生的高温高热的 防护和处理问题很复杂，要求有适合大面积复要求有适合大面积复 杂构形的耐高温、抗冲刷、重量轻、能多次使杂构形的耐高温、抗冲刷、重量轻、能多次使 用的高级防热材料，用的高级防热材料，维修也应方便。 3 我国的航天事业（耐高温材料 ）n我国有航天飞机吗？n全世界有美国有。 亚特兰蒂斯号，哥伦比亚号（ 爆炸），挑战者号（爆炸），奋进号、发现号、

10、企业号（地面实验）俄罗斯的，暴风雪号这名字 不是因国家来区别的，而是宇宙飞船和航天飞机 是不同类型的航天器，都需要利用火箭发射上去 ，本质区别是飞船是一次性使用，而航天飞机可 以反复使用 我国进行首次载人航天飞行取得圆 满成功。中华民族探索太空的千年 梦想实现了。喜讯传来，举国欢腾 ，群情振奋。 飞船防热衣轻薄透飞船返回舱在以7.5公里秒的速度返回降落时，表面温 度会达到20003000，所以在返回阶段，飞船的防热 设计非常重要，因为如果此时防热出了问题，飞船必然烧 毁无疑。 2001年11月，在第三届珠海航展上出现的神舟一号 飞船的被烧蚀得有些斑驳的返回舱，曾是展会上最吸引参 观者眼球的一道

11、亮丽的风景。实际上，从1999年底神舟一 号飞船胜利返航后，停靠在北京航天城的返回舱就一直承 受着众多关注的目光。默不做声的返回舱似乎在用自己并 不好看的“黑脸”向人们无声却自豪地诉说着飞船防热衣的 故事。n 飞船以高速进入大气时产生的热量足以使一般 没有防热措施的航天器在大气中焚毁。解决飞船 再入防热的途径有两个，一是设法减少气动加热 ；第二是设法吸收或耗散热量。前者是气动外型 设计的研究范畴，后一个就是防热结构设计要达 到的目的。n 航天器防热结构设计的任务就是要给航天器 穿上防热衣。当然这种防热衣是双向的，既要能 防热又要能散热。n 防热结构及防热材料至今已经历了几代航天 器的发展。最原

12、始的防热方法是简单地在航天器 的外表蒙上厚厚的铜或铜合金。原理是通过材料 本身的热容来吸热；再后来防热用上了烧蚀材料 ，利用材料的热解、熔化、蒸发等方式散热， n包括石棉或玻璃等与一种叫酚醛的物质组 成的无机复合材料。这种方法就是目前包 括神舟飞船在内的众多飞船所普遍采用的 方法。不过早期的卫星、飞船大多数沿用 导弹弹头的防热技术，防热材料密度过大 、结构过于笨重，因而，长期以来，n 防热材料的密度和重量成为影响防热 结构效果的瓶颈。神舟系列 神州飞船返回舱全部采用我国自主研制的高科技材料制成 ，它的最大直径2517米，高25米，在飞船全密封结 构的舱壁上有一层隔热层,把舱内外温度完全隔断.

13、.舱壁最舱壁最 外面一层外面一层, ,是一种生活中极少用到的由聚四氟乙烯和玻璃是一种生活中极少用到的由聚四氟乙烯和玻璃 纤维布组合起来的防护层纤维布组合起来的防护层, ,紧接着就是隔热层紧接着就是隔热层, ,然后才是金 属壳体.返回舱的隔热层是一种高科技的烧蚀材料，它不 仅担负着飞行中的隔热任务,重要的是返回舱在返回时与 大气剧烈摩擦，表面会产生上千度的高温，通过烧蚀材料 的燃烧才能把这些热量带走，在烧蚀层的每一个蜂窝里都 有5到6厘米的棉状填充物,这些可以经受4000度的高温。 也在发展隐身飞机过程中起着重要的作用。4 航空专用的耐高温材料 航天飞机隔热系统用于保护航天飞机返航 时与大气摩擦

14、所产生的高温(1650 C 或 3000 F)。隔热系统还有一个功能，就是 帮助机舱在极端冷热交替的太空中保持恒 温，也就是说，防止机舱的热散溢到太空 中，也防止高温从舱外传入。隔热系统覆 盖整架航天飞机，因各部位的隔热需求使 用数种不同材料。材料特性通常是热导率K 值较低的材质，降低热传导效率而达到隔 热效果。v1：RCC (强化碳-碳复合材料) Reinforced carbon -carbon：用于返航时温度高达1260 C的航天飞 机机鼻以及机翼前缘。特点：密度小、比强度大 、线膨胀系数低、热导率高、耐热蚀、耐腐蚀性 能好，在1000-2300强度随温度升高而升高。制 备方法：化学气相

15、渗透法、化学气相沉积法 v2HRSI (高温表面绝热瓦) High-temperature reusable surface insulation tiles：用于航天飞机 机腹，温度低于1260 C。 v3FIB (弹性隔热毯)Flexible Insulation Blankets：通 过测试，类似毛毯之绝热材料，用于隔绝航天飞机 受热低于649 C之区域。4LRSI (低温表面绝热瓦) Low-temperature Reusable Surface Insulation tiles：早期用于覆盖部分 航天飞机受热低于649 C之区域，后被弹性隔热毯(FIB)取代。6TUFI (强化单体纤维绝热瓦) Toughened unipiece fibrous insulation：于1996年开始使用的强化绝热砖，用于高温区域， 亦可用于较低温之区域。 v7FRSI (表面绝热毯) Felt reusable surface insulation：白色Nomex绝热毯，一种用于防 火隔热的芳香族聚酰氨纤维，覆盖于航天飞 机酬载舱门及部分航天飞机受热低于371 C 之位置。 n此外，先进战术战斗机(ATF),轻型直升机(LH), 欧洲战斗机(EFA),高速民用运输机以及高性能发 动机全都要依赖于能在高温、高压下工作的先进 材料的发展。因此，耐高温材料的研究路还很漫 长。n。 谢谢！