王亞軍，劉樹仁，吳義田，劉立新

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

運(yùn)載火箭在長(zhǎng)時(shí)間飛行過程中經(jīng)受十分嚴(yán)酷的熱環(huán)境，為保證其內(nèi)部各類儀器、電纜等的正常工作，火箭熱防護(hù)結(jié)構(gòu)須能確保火箭內(nèi)部溫度控制在允許的范圍內(nèi)，如電纜正常工作時(shí)要求芯線溫度不超過200℃[1]。以二級(jí)尾艙為例，艙內(nèi)儀器電纜所處環(huán)境熱源包括發(fā)動(dòng)機(jī)高溫噴流輻射加熱、高溫部件輻射加熱以及發(fā)動(dòng)機(jī)羽流回流加熱等，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)百秒，導(dǎo)致熱環(huán)境極其嚴(yán)酷，必須對(duì)儀器電纜等進(jìn)行熱防護(hù)。目前，儀器電纜等的防熱主要采用柔性熱防護(hù)方式，利用各類柔性防熱材料實(shí)現(xiàn)被動(dòng)防熱[2-3]。常用的防熱材料包括高溫絕熱帶（布）、無(wú)堿玻璃纖維帶、玻璃纖維套管、硅橡膠布和鍍鋁薄膜等[4-5]。然而這些材料的熱物性參數(shù)尚未準(zhǔn)確獲得，有的熱物性參數(shù)還是與溫度相關(guān)的函數(shù)，不同材料組合的隔熱性能也有很大差異，這些都給熱防護(hù)工作的選材設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證造成了一定的困難。為了設(shè)計(jì)出有效的熱防護(hù)系統(tǒng)并提高其可靠性，需要對(duì)有關(guān)防熱材料以及組合的隔熱性能有準(zhǔn)確的了解。

地面熱試驗(yàn)是一種有效的材料隔熱性能考核方法[6]；以石英燈加熱技術(shù)為代表的輻射加熱方法具有加熱能力強(qiáng)、加熱時(shí)間長(zhǎng)、易于控制等特點(diǎn)，是熱試驗(yàn)廣泛應(yīng)用的加熱方法[7]。本文以某型運(yùn)載火箭二級(jí)尾艙內(nèi)電纜隔熱性能為研究對(duì)象，考慮火箭典型二級(jí)飛行段高度在70～120 km，大氣壓力在10-1Pa量級(jí)，分子密度很低，近似為真空環(huán)境，故在熱試驗(yàn)中通過真空罐模擬飛行段的真空環(huán)境，采用石英燈加熱器模擬熱源，選取最常用的幾種防熱材料進(jìn)行材料在輻射熱環(huán)境下的隔熱性能測(cè)量試驗(yàn)，以期準(zhǔn)確獲取材料隔熱性能，為火箭熱防護(hù)設(shè)計(jì)選材提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)備由真空罐（見圖1）、石英燈加熱器（見圖2）組成；

測(cè)量系統(tǒng)由熱流計(jì)、真空計(jì)、K型熱電偶數(shù)據(jù)采集裝置組成。

圖1 真空熱試驗(yàn)用真空罐Fig.1 Vacuum tank for the thermal vacuun system

圖2 石英燈加熱器Fig.2 The quartz lamp heater

1.2 參試材料

以火箭二級(jí)尾艙內(nèi)電纜防熱常用的柔性材料為研究對(duì)象，包括玻璃纖維套管、玻璃纖維帶、硅橡膠布、鍍鋁薄膜等，將不同厚度的不同防熱材料包覆在電纜外進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方案

該型號(hào)火箭二級(jí)飛行段飛行時(shí)間不超過800 s，且遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示20 kW/m2的熱流值是尾艙內(nèi)電纜所處熱環(huán)境的典型值。因此，根據(jù)實(shí)際飛行環(huán)境將試驗(yàn)工況設(shè)定為：熱流密度20 kW/m2，保持時(shí)間800 s，真空環(huán)境10-3～5.2 Pa。試驗(yàn)開始前先進(jìn)行抽真空操作，至罐內(nèi)達(dá)一定真空度后，由石英燈陣施加熱流。

真空罐內(nèi)放置試件支架，中間為間隔金屬絲網(wǎng)，電纜水平鋪設(shè)，相互之間無(wú)交叉重疊，與真空罐底面懸空隔離，石英燈陣從上方垂直照射，見圖3。試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外依次為多根電纜芯線、玻璃纖維套管、防熱材料。溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖4所示：測(cè)點(diǎn)P1在套管外，即防熱材料內(nèi)表面；測(cè)點(diǎn)P2在防熱結(jié)構(gòu)外表面。

圖3 試驗(yàn)裝置示意Fig.3 Schematic diagram of test apparatus

圖4 溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)置Fig.4 Point setting for the temperature measurement

在試驗(yàn)中通過控制輸入電壓來(lái)控制加熱熱流：輸入電壓為4.5 V時(shí)，對(duì)應(yīng)熱流密度為20 kW/m2。試驗(yàn)電壓加載曲線如圖5所示，波動(dòng)基本在10%以內(nèi)。

為探究材料的隔熱性能以及組合使用時(shí)的隔熱性能差異，對(duì)材料進(jìn)行分組試驗(yàn)，分組情況見表1。為了保證電纜芯線溫度不至于過高，參試防熱材料均使用2層以上。

表1 隔熱性能試驗(yàn)材料分組Table 1 Grouping for the thermal protection test of materials

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 玻璃纖維帶和鍍鋁薄膜

為了比較玻璃纖維帶以及鍍鋁薄膜隔熱性能的差異，分別對(duì)這2種材料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。其中：曲線P1表示材料內(nèi)表面溫度變化趨勢(shì)；曲線P2表示材料外表面溫度變化趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在熱流保持800 s時(shí)，2層玻璃纖維帶內(nèi)外表面溫度分別為343、437℃，相差94℃；2層鍍鋁薄膜內(nèi)外表面溫度分別為322、431℃，相差 109℃。

圖6 2層玻璃纖維帶隔熱性能測(cè)試Fig.6 Temperature variations of two-layer glass fiber tape

圖7 2層鍍鋁薄膜隔熱性能測(cè)試Fig.7 Temperature variations of two-layer metallized films

2.2 不同材料組合隔熱性能的比較

防熱材料內(nèi)表面溫度決定了內(nèi)部結(jié)構(gòu)能否安全工作。在設(shè)計(jì)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，為了降低內(nèi)部溫度，常常盡可能地增加結(jié)構(gòu)的厚度。本研究為簡(jiǎn)化操作，以相同厚度材料的層數(shù)來(lái)表征材料厚度。圖8是當(dāng)玻璃纖維帶層數(shù)分別為2、4、6層時(shí)（對(duì)應(yīng)表1中組別1、2、3）內(nèi)外表面溫度變化曲線，熱流保持800 s時(shí)，它們的內(nèi)部溫度依次為343、333、323℃。這表明，在單獨(dú)使用玻璃纖維帶時(shí)，每增加2層能使其內(nèi)部溫度降低10℃左右。

圖8 不同層數(shù)玻璃纖維帶的隔熱性能對(duì)比Fig.8 Heat-proof performance of different layers of glass fiber tape

圖9為自內(nèi)向外2層玻璃纖維+2層鍍鋁薄膜、2層硅橡膠布+2層鍍鋁薄膜、2層玻璃纖維帶+2層硅橡膠布+2層鍍鋁薄膜（分別對(duì)應(yīng)表1中組別5、6、7）組合而成的隔熱防護(hù)層的內(nèi)外表面溫度變化曲線。熱流保持800 s時(shí)，它們的內(nèi)表面溫度依次為 269、228、192℃。這表明，將玻璃纖維帶、硅橡膠布、鍍鋁薄膜組合使用，能顯著提高防熱效率。

圖9 不同材料組合的隔熱性能測(cè)試Fig.9 Temperature variations of different material combinations

表2匯總了各試驗(yàn)分組在熱流保持200、400、600、800 s這4個(gè)不同時(shí)刻的隔熱層內(nèi)外表面溫度，可以為后續(xù)型號(hào)防熱設(shè)計(jì)提供參考。

表2 不同時(shí)刻隔熱材料內(nèi)外表面測(cè)點(diǎn)溫度Table 2 Temperature test results at different times

2.3 結(jié)果分析

玻璃纖維帶以及硅橡膠布為低導(dǎo)熱系數(shù)材料，通過降低熱傳導(dǎo)進(jìn)行隔熱；鍍鋁薄膜屬于高反射率材料，通過將表面入射熱量大量反射出去，來(lái)減少熱量的進(jìn)入。因此，將這2類材料組合使用可發(fā)揮協(xié)同作用，相對(duì)于單獨(dú)使用玻璃纖維帶（組別1、2、3）或鍍鋁薄膜（組別4）時(shí)，隔熱效率更高。

3 結(jié)論

本文通過熱真空試驗(yàn)，對(duì)玻璃纖維帶、硅橡膠布以及鍍鋁薄膜的隔熱性能進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了單一材料不同厚度以及不同材料組合的試驗(yàn)分組，得到以下結(jié)論：

1）在本試驗(yàn)工況下，單層玻璃纖維帶和單層鍍鋁薄膜可分別帶來(lái)約47℃和54.5℃的溫度降低，具有良好的隔熱性能，并且材料層數(shù)的增加能在一定程度上提升防熱效果。

2）在輻射加熱環(huán)境中，防熱結(jié)構(gòu)外層使用高反射率材料，內(nèi)層使用低導(dǎo)熱系數(shù)材料能顯著提高防熱效率。

3）在本試驗(yàn)工況下，2層玻璃纖維帶+2層硅橡膠布+2層鍍鋁薄膜的組合能在20 kW/m2的熱流下保持800 s后，使防熱結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差達(dá)約232℃，內(nèi)部溫度降低至192℃，已滿足電纜正常工作時(shí)溫度須低于200℃的防熱要求。這個(gè)結(jié)果可為與試驗(yàn)工況相同或相近環(huán)境條件下的電纜防熱設(shè)計(jì)提供參考。