輕質(zhì)燒蝕材料研究綜述

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1、第28卷第4期航天器環(huán)境工程2011年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING313輕質(zhì)燒蝕材料研究綜述吳曉宏1，陸小龍1，李濤2，易忠2(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間表面化學(xué)工程與防護(hù)研究中心，哈爾濱150001：2．北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)摘要：深空探測(cè)的發(fā)展對(duì)航天器再入熱防護(hù)提出了更高要求，而輕質(zhì)燒蝕材料因其燒蝕性能優(yōu)異和結(jié)構(gòu)重量輕等特點(diǎn)已越來(lái)越受到重視。文章總結(jié)了輕質(zhì)燒蝕材料的特點(diǎn)和發(fā)展歷程，介紹了輕質(zhì)燒蝕材料常用的基體和填料，并對(duì)新型燒蝕材料發(fā)展方向進(jìn)行了展望

2、。關(guān)鍵詞：航天器再入；熱防護(hù)；輕質(zhì)燒蝕材料；深空探測(cè)中圖分類號(hào)：V259文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673—1379(2011)04—0313-05DoI：10．3969(j．issn．1673-1379．2011．04．0020引言衛(wèi)星、飛船等航天器以高超音速穿越大氣層(再入返回地球)時(shí)，在氣動(dòng)加熱下其表面溫度最高可達(dá)10000℃，因而需要對(duì)航天器進(jìn)行嚴(yán)格的熱防護(hù)設(shè)計(jì)來(lái)保護(hù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和儀器設(shè)備。熱防護(hù)設(shè)計(jì)方法主要有燒蝕法、吸熱法和輻射法。其中，燒蝕法所用到的燒蝕材料由于具有防熱效率高、工作可靠、適應(yīng)流場(chǎng)變化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航天器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

3、中被廣泛采用。燒蝕法的工作原理是通過(guò)表面燒蝕材料在高溫下的升華、熔化、碳化等反應(yīng)以及燒蝕后表面碳層再輻射的方式進(jìn)行換熱來(lái)消耗熱量，達(dá)到對(duì)表面氣動(dòng)加熱的主動(dòng)防護(hù)[1_2】。常見(jiàn)的燒蝕材料按照其燒蝕機(jī)理不同可以分為升華型、熔化型、碳化型；按其質(zhì)量密度可以分為低密度燒蝕材料(一般在1．0g／cm3以下)和高密度燒蝕材料。為了適應(yīng)航天器小型化、低發(fā)射成本的要求以及深空探測(cè)的發(fā)展，需要進(jìn)一步提高航天器的結(jié)構(gòu)比效率，減輕航天器重量，對(duì)輕質(zhì)燒蝕材料提出了迫切需求，因而發(fā)展新型輕質(zhì)燒蝕材料越來(lái)越受到重視[3卅。輕質(zhì)燒蝕材料一般以酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂或硅橡膠

4、等作為基體，以纖維、酚醛微球、玻璃微球等作為增強(qiáng)材料或填充劑復(fù)合而成，其密度范圍通常在0．2～0．9g／em3之間。輕質(zhì)燒蝕材料具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小、引射效應(yīng)好、殘?zhí)悸矢?、碳層耐燃?xì)鉀_刷性能好、碳層表面輻射率高等優(yōu)點(diǎn)，能有效地阻止氣動(dòng)熱向艙體內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳遞，已廣泛應(yīng)用于月球探測(cè)、火星探測(cè)等深空探測(cè)器的熱防護(hù)系統(tǒng)[5】o本文總結(jié)了輕質(zhì)燒蝕材料的發(fā)展歷程，還重點(diǎn)介紹了輕質(zhì)燒蝕材料常用的基體和填料。1輕質(zhì)燒蝕材料的發(fā)展隨著航天技術(shù)的發(fā)展，為了滿足不同再入環(huán)境的熱防護(hù)要求，已陸續(xù)開(kāi)發(fā)出不同類型的輕質(zhì)燒蝕材料。20世紀(jì)60年代初，為了滿足衛(wèi)星、飛船

5、等航天器結(jié)構(gòu)輕量化的要求，采用比重小和導(dǎo)熱系數(shù)低的彈性硅橡膠、酚醛或者環(huán)氧樹(shù)脂為基體，以石英纖維、酚醛微球?yàn)樘畛湮?，以酚醛蜂窩為承載結(jié)構(gòu)，研制出低密度燒蝕材料。例如，美國(guó)的“阿波羅”飛船所采用的AVCOAT一5026燒蝕材料就是一種以環(huán)氧改性酚醛為基體、以石英纖維為填充物、以酚醛蜂窩為承載結(jié)構(gòu)的低密度燒蝕材料：“雙子星座”飛船所采用的DC一325燒蝕材料是以甲基硅橡膠為基體、以酚醛蜂窩為承載結(jié)構(gòu)的低密度燒蝕材料【6】。20世紀(jì)60年代末至70年代初，為了適應(yīng)航天器再入時(shí)間長(zhǎng)、高焓、低熱流等任務(wù)特點(diǎn)，美國(guó)洛克希德·馬丁公司開(kāi)發(fā)出了隔熱性能優(yōu)

6、異的低密度燒收稿日期：2011-05．23；修回日期：201I-06．08基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2008AAl2A207)；國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51078101)；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)火星探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目(編號(hào)：lOdzlll0100)作者簡(jiǎn)介：吳曉宏(1977--)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事空間表面功能化與防護(hù)技術(shù)研究。E-mail：wuxiaohong@hit．edu．cn。314航天器環(huán)境工程第28卷蝕材料(SLA)。SLA是一種以硅樹(shù)脂為基體，以軟木、硅土和酚醛微球?yàn)樘畛鋭苑尤┓涓C為承載結(jié)構(gòu)的低

7、密度燒蝕材料，己成功應(yīng)用于美國(guó)“海盜號(hào)”火星探測(cè)器【『J。20世紀(jì)90年代，NASA重啟火星及太陽(yáng)系其他行星的探測(cè)計(jì)劃，先進(jìn)的熱防護(hù)材料研究重新受到重視。洛克希德嗎丁公司在SLA基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，并將其與碳面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了連接，典型的SLA．561V熱防護(hù)結(jié)構(gòu)試樣如圖l所示”J，其結(jié)構(gòu)層及尺寸如圖2所示”J。SLA．561V己成功應(yīng)用于1997年發(fā)射的“火星探路者”熱防護(hù)系統(tǒng)。另外，NASA還開(kāi)展了新型輕質(zhì)陶瓷燒蝕材料的研究。例如，Ames研究中心研發(fā)的硅樹(shù)脂浸漬可重復(fù)使用的陶瓷燒蝕材料(SIRCA)是以硅樹(shù)脂為基體制備的，己成功應(yīng)

8、用于“火星探路者”和“火星探測(cè)漫游者”飛船：酚醛澆注碳燒蝕材料(PICA)是以酚醛樹(shù)脂為基體、以碳纖維作為增強(qiáng)體制備的，已成功應(yīng)用于“星塵號(hào)”返回艙熱防護(hù)系統(tǒng)，并且該材料己被選為新一代載人宇宙