曹 旭 黃明星 黎光宇 孫小飛 黃 偉

1）北京空間機電研究所 北京100094

2）北京理工大學(xué)宇航學(xué)院 北京100081

3）中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司先進(jìn)耐火材料國家重點實驗室 河南洛陽471039

熱防護(hù)材料是熱防護(hù)系統(tǒng)主要的功能構(gòu)成材料，其性能關(guān)系到飛行任務(wù)的成?。?］。近年來，充氣式再入減速技術(shù)（Inflatable Reentry and Descent Technology，IRDT）日益受到重視?；谠摷夹g(shù)的航天器進(jìn)入大氣前，內(nèi)部的折疊狀的耐高溫柔性氣囊充氣形成倒錐狀，有效地進(jìn)行氣動減速，此時航天器被柔性熱防護(hù)材料包裹著可避免被劇烈的氣動加熱燒毀［2］。采用IRDT技術(shù)的航天器具有工作簡單，成本低，可折疊收攏等特點，在載人航天、深空探測等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景［3－5］。

剛性燒蝕防熱材料在一次性使用的再入式航天器中應(yīng)用較為廣泛。但可折疊的充氣式再入減速系統(tǒng)必須采用具備可折疊、輕質(zhì)、高強等特點的柔性熱防護(hù)材料。美、俄等在此方面開展了大量研究，其中俄羅斯采用硅基樹脂材料，在三次IRDT試驗器飛行試驗中進(jìn)行了應(yīng)用；美國采用陶瓷纖維和柔性無機隔熱氈，在充氣式再入飛行器試驗（IRVE）和低密度超音速減速器（LDSD）等項目中，開展了高溫風(fēng)洞試驗等大量材料篩選驗證工作。

我國近幾年針對高性能隔熱材料進(jìn)行了研究，取得了較好的研究成果，制備的國產(chǎn)纖維增強SiO2氣凝膠隔熱材料強度高，熱導(dǎo)率低［6－10］。本工作中，針對IRDT系統(tǒng)再入返回地球過程的熱防護(hù)需求，在采用商業(yè)化陶瓷纖維織物和承載織物基礎(chǔ)上，設(shè)計并制備了國產(chǎn)多層柔性熱防護(hù)材料，通過測試熱導(dǎo)率、熱沖擊試驗和高焓風(fēng)洞試驗對材料的性能進(jìn)行了驗證。

1 試驗

根據(jù)再入返回任務(wù)需求［10］，確定柔性熱防護(hù)材料的技術(shù)指標(biāo)為：1）最大外部熱流密度不小于25 W·cm－2；2）最高耐溫不小于1 200℃；3）高溫環(huán)境持續(xù)時間不小于300 s；4）在高溫環(huán)境作用下，材料的冷端溫度不超過250℃；5）在滿足熱防護(hù)要求的基礎(chǔ)上，面密度盡可能?。?）柔性可折疊，以滿足折疊收攏要求。

熱防護(hù)材料采用多層防熱結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)分別為防熱層、隔熱層、承載層［11－12］。防熱層位于熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）的最外面，承受最高的溫度，主要用來阻隔熱流，本試驗中采用氧化鋁纖維布為防熱層，最高耐溫超過1 200℃。中間隔熱層主要用來防止熱量向內(nèi)部傳遞，即在高溫面和低溫面形成較大的溫度梯度，采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計了柔性可折疊多層隔熱材料。承載層用來承受力學(xué)載荷，保持結(jié)構(gòu)的外形，本試驗中使用高強芳綸織物（Kevlar），其抗拉強度超過360 MPa，在250℃下短期（300 s內(nèi)）強度保持率超過70%。

隔熱層的材料組成包括：氧化鋁纖維毯，厚度為1～2 mm，標(biāo)記為A；氧化鋁復(fù)合二氧化硅纖維毯，厚度分別為5和6 mm，分別標(biāo)記為B1、B2；二氧化硅纖維毯，厚度1 mm，標(biāo)記為C；氣凝膠復(fù)合玻璃纖維毯（附帶0.3 mm鋁箔），厚度2～3 mm，標(biāo)記為D。

熱防護(hù)材料的結(jié)構(gòu)組成見表1。相同數(shù)字編號試樣的隔熱層結(jié)構(gòu)相同，但各層厚度不完全相同。

表1 熱防護(hù)材料的結(jié)構(gòu)組成

各功能層之間通過3M Nextel 440耐高溫縫線縫合固定。在折疊包裝時，柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各層之間存在間隙，并且各層會發(fā)生局部相對位移，所以柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)各層在折疊包裝過程中不易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。采用兩兩縫合的方式保證熱流不會通過針孔傳遞至熱防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

1.2 性能檢測

按YB/T 4130—2005檢測隔熱層材料分別在熱面溫度為200、400、600和800℃下的熱導(dǎo)率。通過熱沖擊試驗，模擬充氣式再入減速系統(tǒng)的實際溫度曲線［13］，對柔性熱防護(hù)材料熱端面加熱，對材料的熱防護(hù)性能進(jìn)行驗證。本試驗中使用石英紅外輻射式熱試驗裝置［14］，對試樣高溫面進(jìn)行加熱。熱沖擊試驗過程中，在熱防護(hù)試樣的熱端面和冷端面中心位置各布置一個熱電偶，測量兩個端面的溫度變化情況。

通過高焓風(fēng)洞試驗對柔性熱防護(hù)材料的性能進(jìn)行真實驗證，試驗設(shè)備為高頻感應(yīng)風(fēng)洞，利用高頻感應(yīng)等離子體發(fā)生器對空氣進(jìn)行加熱，經(jīng)過膨脹加速后，在試驗段形成高溫、超聲速流場，來產(chǎn)生高總溫和高總壓試驗氣流［15］。試驗中獲取柔性熱防護(hù)材料在再入熱環(huán)境下的各層溫度響應(yīng)、失效時間及形式，模擬參數(shù)主要是總焓值、熱流密度。

由于風(fēng)洞設(shè)備無法根據(jù)試驗時間調(diào)節(jié)熱流和總焓，因此采用均一試驗條件：最大熱流密度25 W·cm－2，焓值25 MJ·kg－1，試驗時間300 s。由于實際再入過程高溫持續(xù)時間僅約100 s，因此本試驗為加嚴(yán)考核。

試驗前對熱防護(hù)試樣進(jìn)行反復(fù)折疊，驗證折疊過程對材料熱防護(hù)性能的影響。

高焓風(fēng)洞試驗選擇熱沖擊試驗結(jié)果最好的試樣，試驗過程中在各層材料之間布設(shè)熱電偶（見圖1），測量各層材料的溫度響應(yīng)，熱電偶的布置如圖1所示。熱電偶T1、T2布置于防熱層冷端，熱電偶T3布置于隔熱層第一層的冷端，熱電偶T4布置于隔熱層第三層的冷端，熱電偶T5和T6分別布置于承載層的熱端和冷端。

圖1 熱電偶布置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 熱導(dǎo)率

圖2給出了隔熱層中氧化鋁纖維毯和氧化鋁復(fù)合二氧化硅纖維毯的顯微結(jié)構(gòu)照片。

圖2 氧化鋁纖維毯和氧化鋁復(fù)合二氧化硅纖維毯的顯微結(jié)構(gòu)

從圖2可以看出，選用的隔熱材料呈現(xiàn)出一種疏松的多孔結(jié)構(gòu)，納米級的孔隙尺寸限制了內(nèi)部氣體運動，使其能有效限制固相傳熱、氣相傳熱及熱對流，該多孔結(jié)構(gòu)使得隔熱試樣的熱導(dǎo)率得到有效的降低，保證了高溫下的隔熱性能。隔熱層材料在200、400、600和800℃下的熱導(dǎo)率分別為0.021、0.035、0.043和0.069 W·（m·K）－1，因此所設(shè)計的隔熱層性能非常優(yōu)異。

2.2 熱沖擊試驗

對熱防護(hù)試樣進(jìn)行熱沖擊試驗發(fā)現(xiàn)，試樣的柔性與試驗前相比無明顯變化，除顏色略變黑外，結(jié)構(gòu)均完好。試樣熱端和冷端的溫度測量結(jié)果如圖3所示。試驗實際加載溫度與要求值一致，熱面溫度顯示試驗加載最高溫出現(xiàn)在試驗開始后162 s。在試驗的前150 s，各試樣冷端溫度升高很小，隨后緩慢上升，在約210 s時，各試樣的冷端溫度達(dá)到最高。第1組試樣（試樣1a和試樣1b）的冷端溫度比其他試樣的低，且溫度梯度近1 100℃，冷端最高溫度不超過120℃，因此隔熱效果較好。試樣2a、試樣2b和試樣3b的冷端溫度均超過了250℃。當(dāng)承載層Kevlar織物的溫度超過250℃時，強度會明顯下降，難以滿足使用要求。

圖3 試樣熱端和冷端的溫度測量結(jié)果

2.3 高焓風(fēng)洞試驗

根據(jù)熱沖擊試驗的結(jié)果，選擇試樣1a進(jìn)行高焓風(fēng)洞試驗。高焓風(fēng)洞試驗情況見圖4。試驗后觀察發(fā)現(xiàn)，防熱層用氧化鋁纖維布燒結(jié)并有輕微開裂，但仍保持完好，說明在高焓氣流的作用下，其抗剪切能力較好，能滿足防護(hù)要求。隔熱層中各層材質(zhì)無明顯破壞，柔軟性良好。

圖4 高焓風(fēng)洞試驗情況

雖然采取了兩兩縫合的方式，但從試樣經(jīng)高焓風(fēng)洞試驗后的冷端面可看出，仍有部分高焓氣流通過縫線針孔滲透至內(nèi)部，針孔局部有高溫加熱跡象，但并不影響整體的隔熱性能。

高焓風(fēng)洞試驗溫度測量曲線見圖5?？梢钥闯?，試樣外表面熱電偶T1、T2、T3迅速升溫，達(dá)到穩(wěn)定溫度。熱電偶T1、T2均布置在防熱層內(nèi)部，由于其布置位置不同，溫度測量結(jié)果相差130℃，最高溫度達(dá)到了1 359℃。熱電偶T3的穩(wěn)定溫度約為1 068℃。熱電偶T4在試驗初期失效，未測到數(shù)據(jù)。根據(jù)熱電偶T5和T6結(jié)果，在試驗結(jié)束后，承載層Kevlar織物的最高溫度為198℃，滿足許用溫度不超過250℃的要求。

圖5 高焓風(fēng)洞試驗溫度測量曲線

試驗前對熱防護(hù)試樣進(jìn)行反復(fù)折疊，試驗結(jié)果說明折疊對柔性熱防護(hù)材料的熱防護(hù)性能無明顯影響。

本次試驗未能測得熱防護(hù)試樣受熱面的溫度。由于試驗采用熱電偶測溫，熱電偶的最高耐溫為1 400℃。這表明其在試驗初期已發(fā)生損壞，未獲取有效數(shù)據(jù)，也說明在高焓風(fēng)洞試驗中，試樣受熱面的溫度已超過1 400℃。

3 結(jié)論

所研制的多層柔性熱防護(hù)材料能夠承受熱流密度為25 W·cm－2的熱沖擊，最高溫度超過1 400℃，焓值25 MJ·kg－1，持續(xù)時間300 s的熱環(huán)境，材料熱、冷兩端的溫度梯度超過1 200℃，具有優(yōu)異的熱防護(hù)性能；熱防護(hù)試樣在動態(tài)高焓風(fēng)洞試驗中結(jié)構(gòu)保持完整，外部的防熱層雖然有燒結(jié)現(xiàn)象，但隔熱層能夠在1 359℃的高溫下仍然具有較好的隔熱能力，保證承載層的溫度在許用范圍內(nèi)；隔熱層在試驗后性狀無明顯變化，柔軟、可折疊，且試樣經(jīng)過折疊后，熱防護(hù)性能和柔性滿足要求；柔性熱防護(hù)材料采用的縫紉成型工藝對整體熱防護(hù)性能無影響，但在針孔處存在熱流滲透的情況，應(yīng)對此加以防護(hù)。