热防护用轻质烧蚀材料现状与发展

　　摘要：针对我国航天器对热防护系统轻量化的需求，系统总结了国内外轻质热防护烧蚀材料的研究进展及实际应用现状，主要包括蜂窝填充橡胶或树脂、树脂浸渍纤维化多孔基体两类材料，重点介绍了玻璃纤维/酚醛或碳纤维/酚醛蜂窝填充硅橡胶、硅树脂或酚醛树脂和硅树脂浸渍可重复使用陶瓷基体烧蚀材料和酚醛浸渍碳基体烧蚀材料，总结了轻质烧蚀材料的发展趋势和对我国在该领域发展的借鉴意义。 　　关键词：热防护；轻质烧蚀材料；树脂；蜂窝；纤维化基体 　　中图分类号：V45 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2017）01-0123-06 　　0 引言 　　热防护系统是保护服役在高温热环境中飞行器免遭烧毁或过热的关键子系统。现有的热防护系统及材料主要包括非烧蚀（可重复使用）类和烧蚀类。烧蚀热防护，是以消耗物质来换取防热效果的积极防热方式，优点是工作安全可靠，防热效率高，适应流场变化能力强。对服役在高热流条件下或热环境无法准确预测的飞行器，烧蚀防热是唯一可行的防热方式，且系统结构简单，一般使用胶黏剂将其直接胶接在内部承力主结构上使用。对热环境比较恶劣部位的处理更为简便，只需将局部加厚或换装抗烧蚀能力更强的单块材料即可。烧蚀材料密度较低，使得整个热防护系统结构紧凑、质量轻。其缺点是仅能一次性使用，并存在发生烧蚀后气动外形变化的问题。 　　烧蚀热防护材料按密度分为标准密度与轻质烧蚀材料。以碳/碳、碳/酚醛、高硅氧/酚醛为代表的标准密度烧蚀材料主要应用于高热流、超高温、高驻点压力、高速粒子冲刷等极端恶劣环境短时间服役的远程火箭或导弹；轻质烧蚀材料主要应用于飞船返回舱或空间探测器等普遍采用半弹道-跳跃式或升力再入等气流焓值高、短时间热流密度大、驻点压力低和再入时间长的再入环境，要求热防护系统及其材料具有轻质、耐高温、低热导率、低烧蚀量和高热阻塞效应的特点。 　　本文初步阐述了轻质烧蚀材料的国内外研究现状与进展及实际应用，并探讨了轻质烧蚀材料的发展方向。 　　1 返回舱烧蚀热防护系统及材料的发展 　　早期的返回式卫星或飞船返回舱的热防护直接使用弹道导弹再入弹头的烧蚀材料，如美国“水星”号飞船的防热结构中，热流最大的钝头部分采用的是标准密度玻璃纤维增强酚醛作为烧蚀材料。通过研究飞船热防护机理，发现质量引射效应可以担负主要的防热机制，当烧蚀材料的气化分数很高时，它的热解气体质量引射热阻塞效应系数Φ=q。（引射）/q。（无引射）可以达到0.2～0.3，即70%～80%的气动加热是由质量引射带走。在这一研究成果的指导下，美国研究了大量的轻质碳化型烧蚀材料，如DC-325、AVCOAT、PhenCarb、SLA-561、SRAM、BLA、SRICA、PICA等。 　　目前普遍采用的轻质烧蚀材料，密度大都在0.2～0.9g/cm3范围之内。在高熔点陶瓷纤维、碳纤维的长纤维毡、细针穿刺或短切纤维网络骨架等纤维化基体内部分浸渍多孔有机硅树脂或酚醛树脂，这种方法构成的复合材料称为纤维化基体浸渍轻质烧蚀材料；在玻璃纤维/酚醛、高硅氧/酚醛或碳/酚醛蜂窝内填充硅橡胶、有机硅树脂或酚醛树脂构成的复合材料以及在填充相内添加短切石英纤维或短切碳纤维、酚醛空心微球、玻璃空心微球和辐射剂等多种功能填料，称为蜂窝增强轻质烧蚀材料。 　　轻质烧蚀材料选用的树脂具有分解温度和碳化温度低的特点，可以在较低的温度下产生质量引射效应和热解碳层高辐射效应来降低烧蚀材料表面对流热流，并可以大量的向外辐射热量，加之材料的热导率较低，可以在较长的再入时间里起到隔热效果。 　　2 橡胶或树脂填充蜂窝结构基体复合材料 　　该类材料普遍采用玻璃纤维/酚醛、高硅氧/酚醛或碳/酚醛蜂窝作为增强相，密度低、导热系数小的弹性硅橡胶、硅树脂或酚醛树脂等作为基体相，并在基体内加入短切石英纤维或碳纤维、玻璃空心微球、酚醛微球、二氧化钛等功能填料来降低材料密度，提高隔热性能并改善烧蚀材料表面的抗辐射能力。除了作为承载结构提高强度之外，蜂窝结构还可提高材料的抗气流剪切能力，在再入过程稳定烧蚀层，阻止表面烧蚀层脱落。 　　2.1 酚醛玻璃纤维蜂窝填充硅橡胶DC-325 　　20世纪60年代初，美国为实现“双子星座”号载人飞船的轻量化，在飞船座舱钝头防热大底采用了密度大约为0.87 g/cm3的玻璃纤维/酚醛蜂窝填充双组份甲基硅橡胶DC-325防热材料，在双组份硅橡胶内还添加二氧化钛和质量比为5%的空心玻璃微球来提高耐热性，玻璃空心微球同时也可以减少材料的密度和降低热导率。 　　我国的神舟飞船上也采用这种体系的防热材料，即在玻璃纤维/酚醛蜂窝内加入增强纤维、玻璃空心微球、酚醛空心微球填料的苯基硅橡胶。为了提高热防护系统的效率采用了变密度设计，在热流、驻点压力较大的飞船返回舱防热大底和侧壁迎风面采用了密度为0.71g/cm3的H96轻质烧蚀材料，在侧壁的背风面采用密度为0.54 g/cm3的H88。 　　2.2 酚醛玻璃纤维蜂窝填充酚醛树脂AVCOAT5026-39/HC-GP 　　经过“双子星座”飞船计划技术储备后，美国开展了载人登月的“阿波罗”计划，“阿波罗”飞船指令舱采用的AVCOAT 5026-39/HC-GP轻�|烧蚀材料，是在玻璃纤维/酚醛蜂窝中填充环氧-酚醛树脂及酚醛空心微球、短切石英纤维填料制成平均密度为0.55 g/cm3的复合材料。 　　相比于硅橡胶，酚醛树脂能承受更高的热流和表面温度，烧蚀率低，烧蚀表面碳化层的强度更大，能够通过反向辐射耗散掉大量的再入加热等优点，使得酚醛树脂成为高加热环境的优良防热材料。 　　“阿波罗”号飞船指令舱采用的是在不同的热环境区域改变材料厚度的方法来提高热防护系统的效率，最终方案是防热材料厚度从大底迎风面的2.7英寸渐变为侧壁背风面的0.70英寸。AVCOAT5026-39/HC-GP材料强度高，但存在低温模量较高和断裂延伸率低的问题，为了能够承受太空和月面低温的考验，热防护系统内的不锈钢蜂窝支撑结构板与铝合金蜂窝主结构之间增加了辅助滑动桁条隔离系统，导致热防护结构复杂化。