曹 旭

（北京空間機(jī)電研究所 ,北京 100076）

1 引言

隨著航天技術(shù)和航天活動的不斷發(fā)展,再入著陸技術(shù)的作用和地位將越來越重要,因此,必須研發(fā)適合新形勢和新技術(shù)要求的、先進(jìn)的回收技術(shù)。新型充氣式氣動阻尼結(jié)構(gòu)（Inflatable Aerodynamic Decelerator Structures,IADS）是一種充氣的彈道式大氣再入飛行器,是一種在再入過程中,利用充氣形成的氣動外形提供升力或阻力,并由表面耐高溫的柔性防熱材料提供熱防護(hù),最后由自身的充氣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)著陸緩沖從而安全到達(dá)地面的航天回收系統(tǒng)。IADS巧妙地將傳統(tǒng)返回飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)（Thermal Protection System,TPS）、降落傘減速裝置和著陸緩沖/漂浮系統(tǒng)集成為一體。圖1為俄羅斯充氣式再入和下降技術(shù)（Inflatable Re-entry and Descent Technology,IRDT）試驗飛行器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 俄羅斯IRDT試驗飛行器的主要結(jié)構(gòu)

IADS作為一種新型的航天回收技術(shù),其優(yōu)點是:返回過程工作程序少,質(zhì)量輕,對有效載荷適應(yīng)性強(qiáng),外形設(shè)計靈活、容積利用率高,系統(tǒng)組成簡單。

近幾年,IADS得到了長足發(fā)展,美、俄等國在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面取得了很大突破。IADS的關(guān)鍵技術(shù)涵蓋了多個學(xué)科,主要包括:1）輕質(zhì)柔性熱防護(hù)材料技術(shù);2）充氣展開機(jī)構(gòu)設(shè)計;3）折疊包裝技術(shù)。在上述技術(shù)中,最為關(guān)鍵的是柔性熱防護(hù)材料技術(shù)[1]。IADS的TPS采用柔性防熱材料,使再入式飛行器在氣動熱環(huán)境中免遭燒毀和過熱。盡管通過適當(dāng)?shù)臍鈩油庑卧O(shè)計可使氣動加熱大為減小,但當(dāng)再入速度足夠大時,熱量仍可以使IADS在著陸前燒毀。傳統(tǒng)再入式航天器的TPS一般使用剛性燒蝕性材料,而IADS必須采用柔性材料,對柔性防熱材料開展詳細(xì)研究具有非常重要的意義。Al2O3纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和優(yōu)異的耐高溫能力,在IADS中應(yīng)用潛力巨大。本文結(jié)合TPS結(jié)構(gòu)的特點和對柔性防熱材料的要求,詳細(xì)介紹了Al2O3纖維的性能,對其在IADS中的應(yīng)用情況進(jìn)行了論述,為研制柔性TPS提供參考。

2 充氣式氣動阻尼結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)系統(tǒng)

2.1 性能和特點

輕質(zhì)柔性防熱材料的設(shè)計是IADS的核心。IADS的TPS由若干層柔性編織防熱織物構(gòu)成,其材料應(yīng)具備輕質(zhì)、耐高溫、柔性和可折疊的特點[2]。在回收任務(wù)中,對材料的力學(xué)性能和熱性能都有較高的要求,材料應(yīng)能承受較高的沖擊載荷和高達(dá)1 000℃的溫度。由于局部（如迎風(fēng)的頭部）熱流密度較大,因此在局部還要采取特殊的防熱措施,進(jìn)行防燒蝕處理。

IADS的TPS應(yīng)滿足以下要求:1）質(zhì)量盡可能小;2）在1 000℃高溫下仍能保持材料的性能;3）柔性好,經(jīng)折疊后不發(fā)生破壞;4）阻氣性能好;5）在高溫下表面無燒蝕,出現(xiàn)剝落時應(yīng)保持線性化整體剝落,表面無碳化。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)以上要求,TPS應(yīng)采用多層防熱結(jié)構(gòu)（Multi-Layer Insulator,MLI）,從外到內(nèi)依次為:防熱層、隔熱層、阻氣層。防熱層位于TPS的最外面,承受最高的溫度,主要用來阻隔熱流。防熱層多使用高強(qiáng)輕質(zhì)的柔性編織材料,如Al2O3纖維、碳纖維等。中間的隔熱層承受的溫度較防熱層低,主要用來防止熱量向TPS內(nèi)部傳遞,多使用碳纖維隔熱氈布、無定形SiO2隔熱氈布等。阻氣層用來防止氣體滲漏,保持充氣結(jié)構(gòu)的形狀,多使用聚酰亞胺（Kapton）薄膜。防熱層和隔熱層應(yīng)選用輕質(zhì)可折疊的柔性耐高溫材料。各層材料通過一定的連接工藝組合在一起,圖2為典型的柔性TPS結(jié)構(gòu)。

圖2 柔性TPS的結(jié)構(gòu)

3 Al2O3纖維在充氣式氣動阻尼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用分析

3.1 Al2O3纖維的性能

IADS外層溫度最高可達(dá)1 400K,防熱層材料首先要能承受如此高的溫度。Al2O3纖維因其具有的較高的抗拉強(qiáng)度和優(yōu)異的抗氧化性能,能制成各種高性能復(fù)合材料,在航空、航天領(lǐng)域（如火箭、飛船、飛機(jī)的防熱組件）具有廣泛的用途,是TPS防熱層的首選纖維。

Al2O3纖維是氧化物陶瓷纖維的一種,是目前研究和應(yīng)用最為廣泛的氧化物陶瓷纖維,它以Al2O3為主要成分,還包括SiO2、B2O3等,具有高強(qiáng)度、高模量、超常的耐熱性和耐高溫氧化性、熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)低、抗腐蝕等特點,主要用于高溫隔熱材料（短纖維）和增強(qiáng)復(fù)合材料（長纖維）,可編織成織物、無紡布、編織帶、繩索等各種形狀的纖維制品。

目前世界上可進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的Al2O3纖維主要有DuPont的FP、PRD-166,3M的Nextel系列纖維,日本Sumitomo的Altel Al2O3等,其中3M公司生產(chǎn)的Nextel系列纖維年產(chǎn)量大,綜合性能優(yōu)異,生產(chǎn)工藝穩(wěn)定,可編織成織物、編織帶、繩索等,市場占有率較高,已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用于耐火材料領(lǐng)域[3],在航空航天領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文以3M公司的Nextel纖維為例,對Al2O3纖維的性能進(jìn)行綜述。

3M公司通過加入不同含量的添加劑來抑制晶粒的生長、改善Al2O3纖維的強(qiáng)度,其生產(chǎn)的Nextel系列纖維的主要成分為Al2O3-硼硅酸鹽（牌號312&440）、Al2O3-硅酸鹽（牌號550&720）和Al2O3（牌號610）長纖維,纖維直徑7～13μ m。

Nextel纖維家族能夠滿足不同的需要:Nextel 312、440、550主要用于非承力結(jié)構(gòu),隔熱性能十分出色;Nextel 610、720可用于制造承受較大載荷的金屬基、陶瓷基和聚合物基復(fù)合材料;Nextel 312和440纖維由Al2O3、SiO2和B2O3組成,2種纖維組成原料的成分不同。由于存在B2O3,纖維紡絲原液中存在液晶相和玻璃相,它們能夠阻止晶粒長大,幫助纖維在高溫下保持強(qiáng)度;Nextel550纖維不存在玻璃相,當(dāng)纖維暴露在1 200℃以上的環(huán)境時,Nextel 550的強(qiáng)度要低于Nextel 440（后者組成包括莫來石）;用于制造復(fù)合材料的Nextel 610和720存在帷α-Al2O3,但不含有任何玻璃相,纖維能在高溫下保持較高的強(qiáng)度,Nextel 610在室溫下的拉伸強(qiáng)度最高,因而十分適合制造金屬基復(fù)合材料,但它的拉伸強(qiáng)度隨溫度的升高下降很快。

如果材料不承受大的載荷,選擇成本較低的非結(jié)構(gòu)纖維即可,如Nextel 312、440、550等,IADS的TPS防熱層可采用上述纖維。各種常用的Nextel纖維的性能如表1所示[4]。

表1 Nextel纖維的性能參數(shù)

根據(jù)3M公司的試驗結(jié)果,Nextel系列纖維的耐熱性能如圖3所示。可以看出,在溫度低于1 000℃時,Nextel纖維的強(qiáng)度保持率非常高,除312纖維外,其余均在85%以上,而312纖維在1 000℃的強(qiáng)度保持率也在55%以上。當(dāng)溫度升高至1 200℃時312纖維的強(qiáng)度為0,即纖維分解,其余纖維的強(qiáng)度保持率仍然非常高,均在85%以上。強(qiáng)度保持率最低的是440纖維,但仍超過65%。當(dāng)溫度為1 400℃時,只有720纖維的強(qiáng)度保持率在85%以上,550和610纖維的強(qiáng)度保持率基本相同,約30%,440纖維分解。根據(jù)以上試驗結(jié)果,當(dāng)使用溫度在1 000℃～1 400℃時,Nextel系列纖維能夠滿足防熱要求。

圖3 Nextel系列纖維在不同溫度下的強(qiáng)度保持率

3.2 Al2O3纖維的制備方法

Al2O3纖維的生產(chǎn)工藝簡單,可以直接從水溶液、懸濁液、溶膠或其他一些有機(jī)溶液中紡絲,也可以膠粘絲為接替纖維來制備,對生產(chǎn)設(shè)備要求不高;可以在空氣中直接進(jìn)行無機(jī)化,不需惰性氣體保護(hù)。相對于SiC和碳纖維,Nextel無機(jī)纖維的生產(chǎn)成本要低很多[5]。

Al2O3纖維的主要制備工藝方法有:溶膠-凝膠法、混合液紡絲法、卜內(nèi)門法、基體纖維浸漬溶液法等。3M公司采用溶膠-凝膠法制備Nextel纖維,在含有甲酸根離子和乙酸根離子的Al2O3溶膠中,加入作為硅組分的硅溶膠和作為B2O3組分的H3BO3,得到混合溶液,將混合溶液濃縮成粘度較高的溶膠,進(jìn)行擠出紡絲,將纖維原絲進(jìn)行干燥,然后在1 000℃以上、有張力的條件下進(jìn)行燒結(jié),得到連續(xù)Al2O3纖維。采用溶膠-凝膠法可制得性能優(yōu)異的Al2O3纖維。這種制備方法工藝簡單,可設(shè)計性強(qiáng),產(chǎn)品多樣化,發(fā)展?jié)摿薮骩6-7]。

3.3 Al2O3纖維在充氣式氣動阻尼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

充氣式再入和返回技術(shù)近幾年受到了世界各國的重視,然而早在幾十年前國外就開始了相關(guān)的研究,美國、俄羅斯和歐空局對充氣式再入飛行器進(jìn)行了多年研究和試驗工作,在柔性防熱材料方面已經(jīng)取得了快速發(fā)展[8-10]。

Al2O3纖維具有優(yōu)異的耐高溫性能和柔性,可根據(jù)高溫操作環(huán)境的需要制成編織物,特別是3M公司的Nextel系列纖維,在國外充氣式再入飛行器中已得到了廣泛應(yīng)用。

3.3.1 充氣式氣球傘

美國ILC Dover公司在早期附體型充氣減速器的基礎(chǔ)上為火星登陸計劃設(shè)計了一種新型充氣式氣球傘,其TPS為多層柔性隔熱結(jié)構(gòu)（MLI）,組成材料為:陶瓷基纖維、碳布、金屬箔以及表面貼金屬箔的聚酰亞胺。

根據(jù)充氣式氣球傘所受的氣動熱不同,多層防熱結(jié)構(gòu)的層數(shù)有所不同,因此材料的厚度隨位置的不同而不同。在氣動加熱最嚴(yán)重的表面,即返回艙與氣囊的結(jié)合部,ILC Dover公司設(shè)計了多達(dá)25層材料組成柔性TPS,最外層的陶瓷基纖維為Nextel 312纖維,其結(jié)構(gòu)組成如表2所示。在充氣式氣球傘表面其它部分,隨著氣動熱的逐漸降低,TPS的柔性防熱材料厚度逐漸減小。

表2 美國充氣式氣球傘柔性TPS結(jié)構(gòu)

材料名稱 功能 厚度/mm 層數(shù)鋁箔（Al） 阻氣層 0.13 4帶鋁箔的Kapton（Al-Kapton） 阻氣層 0.05 1 Al-Kapton 阻氣層 0.008 11 Al-Kapton 阻氣層 0.15 1 Kapton氣囊 阻氣層 0.18 1

3.3.2 充氣式回收飛行器

美國航天回收系統(tǒng)公司于20世紀(jì)80年代中期取得了充氣式航天減速/回收系統(tǒng)的專利,即充氣式回收飛行器（Inflatable Recovery Vehicle,IRV）,主要用于載荷回收和航天員救生。IRV的最高再入溫度達(dá)980℃,其TPS使用Nextel 312纖維作為外層防熱材料,內(nèi)層的氣囊材料類似高空氣球使用的材料,如尼龍、滌綸等。

3.3.3 充氣阻尼式再入飛行器預(yù)研項目

美國NASA Langley研究中心對充氣阻尼式再入飛行器預(yù)研項目PAIDAE（The Program to Advance Inflatable-Decelerators for Atmospheric Entry）的防熱材料進(jìn)行了試驗研究,充分利用“貨架產(chǎn)品”（off the shelf）,使用成熟的商業(yè)產(chǎn)品研制了多種柔性防熱材料試樣,并進(jìn)行了熱防護(hù)試驗。NASA研制的充氣式氣動減速器的內(nèi)囊承力層采用芳綸（Kevlar）織物浸潤硅樹脂,其許用溫度最高為250℃,減速器再入大氣層時的氣動熱為（50～300）kW/m2,與飛行器連接處的表面壓力達(dá)2kPa,柔性熱防護(hù)材料必須要保護(hù)內(nèi)囊材料的溫度在250℃以下。

PAIDAE的柔性熱防護(hù)材料由ILC Dover公司研制,使用商業(yè)化纖維材料,如Aspen Aerogel公司的Pyrogel碳纖維復(fù)合材料、3M公司的Nextel系列纖維、DuPont公司的聚酰亞胺（Kapton）薄膜等,通過組合形成多種樣品,圖4是NASA為PAIDAE設(shè)計的一種熱防護(hù)材料的結(jié)構(gòu)。

圖4 美國PAIDAE的一種TPS結(jié)構(gòu)

根據(jù)IADS的特點和TPS結(jié)構(gòu)各層的功能,外層的防熱層主要使用Nextel Al2O3纖維和碳纖維,NASA的高溫?zé)g試驗結(jié)果表明,BF-20即Nextel 440是較為理想的防熱層材料[11]。PAIDAE的TPS各層結(jié)構(gòu)的備選材料如表3所示。

表3 充氣式阻尼結(jié)構(gòu)熱防護(hù)系統(tǒng)備選材料

功能層 制造商 材料牌號 材料組成 最高使用溫度/℃隔熱層Aspen Aerogel Pyrogel 3550 無紡碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠氈布325 Pyrogel 6650 無紡碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)SiO2氣凝膠氈布650 Hitco碳纖維復(fù)合材料公司Refrasil 1800 無定形SiO2 982 Refrasil 2000 經(jīng)過殘余收縮處理的無定形SiO2氈布1 093 Sigratherm KFA5 碳纖維氈布 350（氧化環(huán)境）1 200（非氧化環(huán)境）阻氣層DuPont Kapton UN Kapton 400 UBE Upilex-S 耐高溫Kapton 500

4 結(jié)束語

綜上所述,目前國外IADS的TPS,常采用多層防熱結(jié)構(gòu),外層的防熱層用來阻隔熱流、防止內(nèi)部阻氣層溫度過高而破壞。采用多層防熱結(jié)構(gòu)可根據(jù)氣動熱的大小選擇不同的材料和層數(shù),設(shè)計十分靈活。

由于受到早期材料技術(shù)的限制,充氣式氣球傘使用Nomex纖維織物加Viton涂層作為防熱層,但只能承受530K～590K的熱載荷,俄羅斯IRDT公開的資料很少,其熱防護(hù)材料的牌號和性能還無法得知,但根據(jù)已有的資料,它使用耐熱纖維織物加熱防護(hù)涂層。充氣式氣球傘、IRV和PAIDAE這三種充氣式再入飛行器的防熱層均采用或擬采用Al2O3纖維織物。

根據(jù)前面分析,Al2O3纖維具有出色的耐高溫能力,柔性好、可編織,生產(chǎn)成本較碳纖維低,適合應(yīng)用于IADS的TPS。因此加強(qiáng)Al2O3纖維的制備工藝和應(yīng)用研究、實現(xiàn)Al2O3纖維的國產(chǎn)化對我國空間IADS的發(fā)展具有重要意義。

[1]夏剛,秦子增,張曉今.充氣防熱罩技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù),2002,（1）:19-24.

[2]王偉志.充氣展開式新型空間回收技術(shù)展望[J].航天返回與遙感,2004,（25）1:1-5.

[3]李泉,宋慎泰.氧化鋁基連續(xù)陶瓷纖維的發(fā)展現(xiàn)狀[J].耐火材料,2006,40（1）:50-52.

[4]Nextel Ceramic Textiles TechnicalNotebook.[EB/OL].http://www.3m.com/ceramic.

[5]陳蓉,才鴻年.氧化鋁長纖維的性能和應(yīng)用[J].兵器材料科學(xué)與工程,2004,24（4）:70-72.

[6]王德剛,仲蕾蘭,顧利霞.氧化鋁纖維的制備及應(yīng)用[J].化工新型材料,2002,30（4）:17-19.

[7]曹峰,李效東,馮春祥,等.連續(xù)氧化鋁纖維制造、性能與應(yīng)用[J].宇航材料工藝,1999,29（6）:6-10.

[8]夏剛,程文科,秦子增.充氣式再入飛行器柔性熱防護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r[J].宇航材料工藝,2003,33（6）:1-6.

[9]Del Corso JA,Bruce III W E,Liles K A,et al.Thermal Analysis and Testing of Candidate Materialsfor PAIDAE Inflatable Aeroshe[R].AIAA-2009-2925.

[10]Bruce III W E.Aeroassist Inflatable Reentry System（AIRS）Thermal Protection System（TPS）Thermal Analysis[R].STSB-2006-002,2006.

[11]HughesS J,Ware J S.Deployable Aeroshell Flexible Thermal Protection System Testing[R].NASA 20090019755.