金属热防护系统隔热材料的发展与现状VIP免费

2006年第4期总第284期导弹与航天运载技术MISSILEANDSPACEVEHCILENO．420()6SumNO．284文章编号：1004．7182(2006)04—0048-05金属热防护系统隔热材料的发展与现状闰长海，孟松鹤，陈贵清，杜善义(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨，150080)摘要：对金属热防护系统隔热材料在航天器再入过程中的传热进行了分析，在此基础上，对纤维隔热材料、多层隔热材料和纳米复合材料涂层进行了介绍；比较了3种隔热材料应用到金属热防护系统上的优缺点；最后总结了金属热防护系统隔热材料正向低成本、低质量、低导热系数的方向发展。‘关键词：金属热防护系统；隔热材料；热辐射；航天器‘中图分类号：v45文献标识码：ADevelopmentofInsulationsforMetallicThermalProtectionSystemanditsCurrentStatusYanChanghai，MengSonghe，ChenGuiqing，DuShanyi(CenterforCompositeMaterialsofHarbinInstituteofTechnology，Harbin，150080)Abstract：Havinganalyzedtheheattransferofinsulationsformetallicthermalprotectionsystemduringspacecraftreentry，3kindsofinsulations，includingfibrousinsulation，multi—layerinsulationandnano—compositecoating，areintroduced．Theiradvantagesanddisadvantagesshownwhiletheyareappliedtometallicthermalprotectionsystemsarecompared．Developmenttrendofinsulationsformetallicthermalprotectionsystemwhichislowincost，weightandthermalconductivityissummarized．KeyWords：Metallicthermalprotectionsystem；Insulationmaterial；Thermalradiation；Spacecraft●_‘’-一1月IJ旨航天器再入时要以很高的速度进入大气层，在空气动力的作用下急剧减速，同时其巨大的动能和位能转化为巨大的热能，而热防护系统的作用就是尽量减少进入航天器内部的热能，使航天器机身及其内部部件在合理的温度范围之内正常工作⋯。由此可见，热防护系统是航天器的重要组成部分。目前可重复使用航天器一直是各国下一代航天器开发的重点，多种可重复使用热防护系统都被设计开发出来，其中金属热防护系统的研究和发展都很快并显示出很强的竞争力，使之很有希望应用到下一代可重复使用航天器上【2】。以X一33金属热防护系统为例【3(图1)，金属热防护系统是由表面的高温合金蜂窝盖板、隔热材料和内部钛合金蜂窝板3层结构组成。表面用高温合金蜂窝盖板抵挡在发射和飞行中外来物体的撞击。在飞行器重返大气时，表面盖板由于受到严重的气动加热，温度最高达1100℃，而由于机身是铝合金制成的，最高设计温度为176℃，中间隔热材料的作用是隔绝900℃以上的温差。纤维隔热材料的主要作用是限收稿日期：2005．06．29基金项目：国家自然科学基金(90405016：90205034)作者简介：闰长海(1972．)，男，博士研究生，主要从事航天器热防护系统的研究维普资讯http://www.cqvip.com第4期闫长海等金属热防护系统隔热材料的发展与现状49制进入机体内部的热流密度。对于稳态传热，进入机体内热流密度可以表示为口：兰一(1Zil)口=一，‘h式中g为进入机体的热流密度；k为纤维隔热材料的有效导热系数；h为纤维隔热材料的厚度：AT为隔热材料上下表面的温度差。蜂窝板图1X．33金属热防护系统示意图纤维隔热材料的密度公式：D：(2)z式中p为纤维隔热材料的密度；m为质量；A为纤维隔热材料的表面积。把式(1)和(2)联立可得：，，z：pA(3)g在设计金属热防护系统时，AT／q是一定的，所以设计时要做的工作就是使纤维隔热材料的质量最小，也就是使pAk最小，由于表面积A基本不变，所以使最小是选取纤维隔热材料最为重要的指标。在p七相同的情况下，尽量选取密度大的纤维隔热材料，这是由于密度大的纤维隔热材料的厚度小，这样就会使A相对减小，所以在相同的情况下，密度大的纤维隔热材料的总质量最小。从以上分析可以看出，在相同密度的条件下，纤维隔热材料k值越小纤维隔热材料隔热性能越好。要想研制和开发低导热系数的纤维隔热材料，首先必须弄清楚纤维隔热材料在再入过程中的传热机理，这对于纤维隔热材料的研制和改进有指导的意义。2隔热材料在再入段的传热分析热量的传递依靠3种基本方式：...