航空航天热防护材料-事故原因及材料分析(北京航空航天大学公开课资料)
航空航天材料失效机理与预防研究
航空航天材料失效机理与预防研究
航空航天行业对材料的要求极高,因为任何材料的失效都可能
导致灾难性后果。因此,研究航空航天材料失效机理并采取相应
的预防措施,对于确保航空航天领域的安全和可靠性至关重要。
本文将探讨航空航天材料失效的机理以及目前的研究进展和应对
措施。
航空航天材料的失效机理可以分为几个主要方面:疲劳、腐蚀、高温和高压等。首先,疲劳是指物质在经历连续加载和卸载循环
时的逐渐破坏过程。这种失效模式常发生在常规飞机机身、发动
机框架和涡轮叶片等承受着巨大的载荷和振动的部件上。材料疲
劳的主要原因是微小缺陷在应力下的扩展,最终导致裂纹的形成。
其次,腐蚀是导致航空航天材料失效的另一个重要机理。航空
航天行业中使用的材料通常暴露在恶劣的环境中,如高湿度、高
盐度和化学介质等。这些环境条件会导致材料表面的氧化和腐蚀。腐蚀会削弱材料的强度和韧性,最终导致材料失效。
此外,高温和高压也是航空航天材料面临的挑战。航空航天发
动机的工作温度一般高达1000摄氏度以上,这对材料的稳定性和
耐热性提出了严格的要求。高温下,材料容易软化和蠕变,从而
减弱其力学性能。同样,航天器在进入大气层时面临极高的压力,
材料需要具有足够的强度来承受这种压力加载,并保持结构完整性。
为了解决航空航天材料失效问题,研究人员们进行了广泛的研
究和开发。在疲劳失效方面,材料科学家致力于改善材料的抗疲
劳性能,通过新的合金设计、表面处理和改进材料加工工艺等方
式来提高材料的循环寿命。例如,引入钢表面渗氮、碳化物和氮
化物,可以增强材料的硬度和抗腐蚀性能。
空天飞行器热防护系统热短路与控制问题研究
空天飞行器热防护系统热短路与控制问题研究
论文题目:空天飞行器热防护系统热短路与控制问题研究
摘要:空天飞行器在高速飞行过程中会产生大量热量,如果不能有效地控制和传递这些热量,将会给飞行器的安全造成严重威胁。本文针对空天飞行器热防护系统中可能存在的热短路问题进行了研究,提出了有效的控制方法,以保证飞行器的安全。
关键词:空天飞行器、热防护系统、热短路、控制方法
一、引言
空天飞行器是一种高性能的航空器,随着技术的不断进步和发展,其在航空领域的作用越来越大。但由于其高速飞行的特殊性质,会产生大量的热量,给飞行器的安全带来很大的隐患。因此,空天飞行器的热防护系统必须要有完善的热管控制和传递机制,以保证飞行器在高空高速飞行过程中的安全。
二、热防护系统的构成和工作原理
空天飞行器的热防护系统主要由热管、热障和热交换器等组成。其中,热管是一个能够将热量传递到其他地方的管子,热障是一种能够减少热量传到它之后的材料,而热交换器则是负责将热能传递给外界的部件。
其工作原理为:当空天飞行器在高空高速飞行过程中,空气摩擦产生的热量会通过热管传递到热障上,热障将这些热量吸收
并释放,热管再将其传递到热交换器上,最终与外界进行热交换,从而使得机体温度得以控制。
三、热短路问题的出现及其危害
空天飞行器热防护系统中存在一个比较严重的问题,即热短路。热短路的出现是由于热管的安装不当或者热障的失效而导致的。当热管出现问题时,会导致热能直接从热管传到热交换器上,无法被热障吸收,从而使得机体温度过高,对飞行器的安全产生威胁。
四、热短路的控制方法
航空航天材料的防腐蚀与防护技术
航空航天材料的防腐蚀与防护技术随着航空航天技术的不断发展,航空航天材料的防腐蚀与防护技术也越来越受到人们的关注。作为关乎航空航天飞行安全的重要一环,材料防腐蚀与防护技术对于航空航天产业的发展至关重要。本文将从材料防腐蚀的原因、防护技术的分类以及前沿研究方向等方面进行探讨。
一、材料防腐蚀的原因
航空航天材料的防腐蚀问题源于多种原因。首先,飞行环境的复杂性导致材料容易受到风化、氧化、腐蚀等多种因素的侵蚀。其次,频繁的起降和长时间的高速飞行使得航空器在飞行过程中暴露于高温、高压、高湿等恶劣条件下,进而加剧了材料的腐蚀程度。此外,航空器在地面维护时也面临着湿度、化学物质等方面的挑战,因此需要采取相应的防护措施。
二、防护技术的分类
为了有效防止航空航天材料的腐蚀,科学家和工程师们提出了多种不同的防护技术。一般来说,可以将这些技术分为物理防护、化学防护和涂层防护三大类。
1. 物理防护
物理防护是利用机械手段对材料进行保护,目的是阻隔或减少外部环境对材料的侵蚀。常见的物理防护技术包括:隔热罩、隔音罩、抗震设计等。其中,隔热罩可以减少机体在高温环境下的热量侵蚀,隔
音罩可以减少噪音对材料的影响,抗震设计可以降低地面振动对材料
的损害。
2. 化学防护
化学防护是利用化学手段对材料进行保护,主要是通过改变材料表
面的化学性质,降低腐蚀的速度和程度。典型的化学防护技术包括:
电镀、阳极氧化等。例如,航空发动机中的叶片经常采用镀层技术,
通过在表面镀上金属或陶瓷层来提高其耐腐蚀性能。
3. 涂层防护
涂层防护是在材料表面形成一层保护性涂层,以减少外界环境对材
航空航天器热防护材料研究
航空航天器热防护材料研究
航空航天器是现代科技的杰出代表,其面对的极端条件无论是高温、高速还是
高压都需要特殊材料来提供适当的保护。其中最具代表性的就是热防护材料,这种材料不仅可以在极端高温下完整地保护航空航天器的结构,而且还能确保飞行员的安全。
热防护材料的基本原理
在高超音速飞行过程中,航空航天器往往会面对温度上升到数千摄氏度的强烈
气流。这种极端条件下,热能密度会变得非常大,足以扭曲和熔化一些金属部件。为了确保航空航天器在这些环境中仍能完整地执行任务,热防护材料就被广泛应用。
热防护材料一般由几层组成,最外层是热式材料,它可以挡住热能、气流、甚
至是辐射。这层材料往往是二氧化硅的混合物,因为它既可以耐高温,又可以呈现出黑色的色调,从而达到最佳的热反射效果。
下一层就是金属材料,它可以承受高级别的摩擦磨损和压力挤压,而不会失去
初始的结构或屏障。最内层是一些特殊材料,如有机高聚物和碳化硅,在高温环境中仍然能够提供充分的保护。这些内部材料不仅可以吸收热能,还可以释放它们,从而跟外界形成一道优雅的屏障。
热防护材料的发展历程
航空热防护材料的发展历程可以追溯到20世纪60年代。当时,NASA使用的
麦克唐纳-道格拉斯X-15高空飞机的最高速度已经突破了单发喷气式战斗机的速度。为了解决飞机在极端环境下的热防护问题,NASA开始推出新的材料供应和开展热大气试验。
当大型太空飞行器开始出现时,热防护材料的研究也随之加深。美国航空航天
局(NASA)和欧洲航天局(ESA)一起,就针对这些新条件开发了大量的热防护
材料。这些团队开发出的热防护材料是最先进的,也是最适合航空航天器的。
航空航天高温材料的研究与应用
航空航天高温材料的研究与应用
航空航天行业是当今最具挑战性和前瞻性的领域之一。高温是航空航天材料面
临的严峻挑战之一,因为高温会导致材料的膨胀、变形和失效。为了应对这一挑战,科学家和工程师们一直在探索新的高温材料,以确保战斗机、导弹、火箭等航空航天器的高效运行。
目前,航空航天材料的应用领域非常广泛。高温材料是其中非常重要的一部分。高温材料用于制造高温部件,如推进器喷管、涡轮叶片、燃烧室、导弹外壳等。高温材料的研发和应用是推进航空航天技术进步的重要方向之一。
一、高温材料的类型
高温材料是一种特殊的材料,能够在高温、高压、高速和复杂腐蚀环境中保持
稳定性能。高温材料的主要类型包括:
1.金属基复合材料(MMC)
2.无机非金属材料
3.有机高分子材料(例如聚酰亚胺)
4.陶瓷基复合材料
二、高温材料的研究方向
随着航空航天行业的发展,科学家们对高温材料的研究也越来越深入。目前,
高温材料研究的主要方向如下:
1.新型高温材料的研发
针对不同高温剧烈腐蚀环境,科学家们将研发出适应不同环境的新型高温材料。新型高温材料的特点是高温抗氧化、高温强度高等优秀性能。
2.高温材料的表面处理
为了增强高温材料的表面强度和抗腐蚀性能,科学家们研发出了一系列表面处理技术,比如氧化、电解沉积、电沉积、焦炉煅烧等等。
3.高温材料的智能化设计
利用计算机辅助设计等技术,将高温材料的结构优化,定制特殊功能,提升其应用效率。
4.高温材料的可持续性能研究
研究航空航天高温材料的性能变化和寿命问题,以便提高材料的使用寿命,延长其使用寿命和可持续性能。
航空航天热防护材料-事故原因及材料分析(北京航空航天大学公开课资料)
航空航天热防护材料-事故原因及材料分析
美国“哥伦比亚”号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷,是造成整起事故的祸首。“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会去年公布的调查报告称,外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的名为“增强碳碳”(即增强碳-碳隔热板)的材料。当航天飞机返回时,经过大气层,产生剧烈摩擦使温度高达摄氏1400度的空气在冲入左机翼后融化了内部结构,致使机翼和机体融化,导致了悲剧的发生。
事故发生后,由于无法迅速找回事发时的泡沫材料和燃料箱进行检验,宇航局和事故调查委员会一直没对事故原因作出最终定论。目前,“哥伦比亚”号外部燃料箱约50万块碎片已被找到并重新拼在一起。宇航局负责“哥伦比亚”号外部燃料箱工程的首席工程师尼尔·奥特说,宇航局经多次试验确定,泡沫材料安装过程有缺陷是造成事故的主要原因。
美国航天史上曾发生过3起巨大灾难。第一起是1967年1月27日“阿波罗”号飞船升空时爆炸,3名宇航员遇难;第二起是“挑战者”号航天飞机1986年1月28日升空时爆炸,包括1名女教师在内的宇航员全部遇难;第三起是2003年2月1日,“哥伦比亚”号航天飞机在完成16天的太空研究任务后,在返回大气层时突然发生解体,机上7名宇航员全部遇难。空难发生后,由美国宇航局(NASA)
支持组成了由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组[1]。调查组对飞机残骸进行了原位重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验,分析了航天飞机爆炸的原因。“哥伦比亚”号航天飞机的爆炸,震惊了世人,同时也引起了人们对材料的关注,从材料分析揭开了“哥伦比亚”空难之谜。
航天器热防护材料研究现状与发展趋势
*西北工业大学博士论文创新基金资助(CX200405)
石振海:1960年生,博士研究生,主要从事热防护材料的研究 T el:029 ******** E mail:shizhenhai9307@
航天器热防护材料研究现状与发展趋势*
石振海,李克智,李贺军,田 卓
(西北工业大学材料学院,西安710072)
摘要 热防护系统中所采用的多层复合热防护材料的层间界面结合和小块材料之间的连接对航天器的可靠性有很大影响,目前二者都存在一定的缺陷。依据功能梯度材料和C/C 复合材料的理论,将高导热率碳泡沫和低导热率碳微球设计成密度和热导率功能梯度热防护碳泡沫材料,使其具备组分之间无层间界面和小块材料间易于连接等特点。
关键词 热防护材料 碳泡沫 功能梯度材料 C/C 复合材料
Research Status and Application Advance of Heat Resistant
Materials for Space Vehicles
SH I Zhenhai,LI Kezhi,LI Hejun,T IAN Zhuo
(Schoo l of M aterials Science,N o rthwester n P olytechnical U niver sity,Xi an 710072)
Abstract T he reliability o f space v ehicles is much affected by the inter face bonding of multi
layer heat resist ant mater ials and t he joining of smaller mater ials in the ther mal prot ection sy st em.Ho wev er,ther e ar e defect s in both
火箭引擎中的材料热防护技术研究
火箭引擎中的材料热防护技术研究
随着人类空间探索的不断深入,火箭技术也在不断攀升,不过众所周知,火箭引擎的加热问题一直是制约研究进程的关键性技术问题。火箭引擎在飞行过程中会受到高速气流和高温环境的冲击,长时间高温作用下材料容易受损,如何避免这种材料热损伤成为了火箭发动机技术研究的必要内容。
一、火箭引擎中的材料热损伤问题
在火箭加速发射过程中,高速气流冲击引擎结构部件,使引擎高温气体接触面积增大,表面温度增高,接触时间延长,其中热流的直接穿透和传导催化器油污,都会对火箭结构部件产生尤为严重的热损伤。与此同时,火箭发动机运行时,由于内部燃气高温高压的长时间作用,使得挥发性元素产生耗损或粘液,使热防护材料耐磨性能下降,这就对火箭的发射运行产生了一系列的负面影响。
二、火箭引擎中的热防护技术
材料热防护技术是解决火箭引擎中热损伤问题的主要手段,目前有很多材料热防护技术可以应用于火箭发动机中,包括篷布热泥、高温自润滑耐火材料、陶瓷复合材料等。以火箭发动机的内表面防护为例,常用的热防护措施有:耐火陶瓷贴砖、耐火陶瓷树脂贴面和耐火陶瓷涂料等。
1、耐火陶瓷贴砖
耐火陶瓷贴砖是一种表面热防护材料,由耐火陶瓷瓦片、组合杆或陶瓷棒、粘合剂组成,并可根据不同的使用性能要求进行组合。该砖具有重量轻、耐温高、使用寿命长等特点,但其缺点是密度小,容易受到高速气流的冲击而磨损。
2、耐火陶瓷树脂贴面
耐火陶瓷树脂贴面是一种表面热防护材料,它具有优异的绝缘性能和抗高温性能,同时也能够抵御化学腐蚀和磨损,但其缺点是易受光照和环境气氛影响而劣化。
航空事故原因分析(正式)
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航空事故原因分析(正式)
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文件编号:KG-AO-1433-79 航空事故原因分析(正式)
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1.机件设备
现代飞机的特点是大负荷、高速度,要求飞机及其操纵系统,制动系统可靠度高。所以对工程机务方面要求是非常严格的,一定要符合各种规格参数的要求,并在使用前严格检查,由于机务方面出现的重大事故,如日本85年B747,由于机尾操纵系统失控造成五百多人丧生。
2.空勤人员
航空安全与空勤人员有直接的关系,所以空勤人员要经过严格的选择,政治品质、技术素质、身体适航是选用空勤人员的三个主要方面。选用空勤人员不当会直接影响飞行安全。
3.自然因素
对于某些自然灾害是可以预测或避免的;但还不
能完全控制。风雨雷电等天气变化对飞行的威胁还是很大的,许多事故是出现在人力不能控制的情况下,但随着科学不断进步和发展,对自然条件突变的预测和适应性会有所增强。
航空事故案例
航空事故案例
航空事故是指在飞行过程中发生的意外事件,可能导致飞机或者其他航空器损坏、人员伤亡或者其他严重后果的事件。航空事故往往给人们留下深刻的印象,也对航空安全提出了严峻的挑战。下面,我们将介绍一些历史上发生的航空事故案例,以期引起人们对航空安全的重视和警惕。
1985年,日本航空123号班机空难。这是一起致命的航空事故,造成了520人死亡。事故原因是飞机尾翼的气压损坏,导致了飞机失去了对横向飞行的控制能力。最终,飞机在山区坠毁,成为了日本航空史上最严重的一次事故。这起事故引起了人们对飞机结构设计和维护的重视,也推动了航空安全标准的提高。
1996年,泰国曼谷航空185号班机空难。这次空难造成了223人死亡,是泰国
航空史上最为严重的一次事故。事故原因是飞机在降落过程中遭遇了严重的气流,导致飞机失去了对高度的控制,最终坠毁在曼谷附近的一片稻田里。这次事故引起了人们对气象条件对飞行安全的影响的关注,也促使了飞行员在恶劣气象条件下的训练和准备工作。
2009年,法国航空447号班机空难。这次空难发生在大西洋上,导致了228人死亡。事故原因是飞机遭遇了严重的气象条件,导致飞机失去了对姿态的控制,最终坠入大西洋。这次事故引起了人们对飞行安全技术的关注,也促使了飞机制造商和航空公司对飞机系统的改进和升级。
这些航空事故案例给我们敲响了警钟,提醒我们航空安全的重要性。在追求高
效便捷的同时,我们更要关注航空安全,不断完善飞行安全标准和技术,确保每一次飞行都能安全顺利地完成。航空事故不仅是对生命和财产的巨大损失,也是对整个航空行业的严峻考验。只有不断总结教训,提高警惕,才能让航空事故变得越来越少,让人们在蓝天下飞行更加安全、放心。
航空航天材料概论
航空航天材料概论
航空航天材料是指用于航空航天工业领域的各种材料,包括金属、合金、复合材料等。航空航天工业对材料的要求非常高,因为航空航天器需要在极端的环境条件下运行,如高温、低温、高速等。因此,航空航天材料必须具备优异的机械性能、耐腐蚀性能、导热性能和防火性能,以确保飞行器的安全和可靠性。
1.金属材料:
-铝合金:铝合金是一种轻质、强度高的材料,常用于制造飞机机身和结构件。
-钛合金:钛合金具有良好的强度、抗腐蚀性和热稳定性,通常用于制造飞机发动机部件和航空航天器的结构件。
-镍基高温合金:镍基高温合金具有良好的高温强度和抗氧化性能,适用于制造航空发动机叶片和涡轮燃气轮机等。
2.复合材料:
-碳纤维增强复合材料(CFRP):碳纤维增强复合材料具有高强度、低密度和良好的抗腐蚀性能,广泛应用于航空航天领域,如飞机机身、机翼和直升机旋翼等。
-玻璃纤维增强复合材料(GFRP):玻璃纤维增强复合材料是一种常见的低成本复合材料,常用于制造小型飞机和无人机的结构件。
-高温复合材料:高温复合材料具有良好的耐高温性能,适用于制造航空发动机和航天器的高温部件,如热结构件和隔热材料等。
除了上述材料外,还有许多其他特殊用途的航空航天材料,如陶瓷材料、聚合物材料和金属复合材料等。这些材料在航空航天工业中发挥着重要的作用。
未来,随着航空航天技术的发展和应用领域的扩展,航空航天材料将继续面临新的挑战和机遇。例如,航空航天材料的研发方向可能包括降低材料的密度、提高材料的强度和耐热性能,以适应新一代航空航天器的需求。
总之,航空航天材料是航空航天工业中不可或缺的重要组成部分,对于飞行器的安全和可靠性至关重要。通过不断的研究和创新,航空航天材料将继续为航空航天技术的发展做出重要贡献。
航天器的热防护层(北京航空航天大学公开课资料)
航天器的热防护层(北京航空航天大学公开课资料)
航天器的热防护涂层
一.航天器上为什么要用烧蚀型热防护材料?
航天器返回舱再入大气层后,进入距地面70-40千米高度时的稠密大气层时,是气动加热量最严重的一段。此时,返回舱被数千度的高温气流所包围,就像一个大火球,向地面飞来。如果不采取防热措施,整个返回舱将像陨石一样化为灰烬。为飞船降温主要采用3种办法:吸热式防热, 辐射式防热, 烧蚀防热! 其中烧蚀防热是目前广泛用于载人飞船再入大气层时降温的一种方法.
二.烧蚀材料是怎样起到降温作用的?
烧蚀材料是一些由玻璃纤维增强的酚醛塑料或环氧树脂形成的复合材料,一种常用的方法是直接把烧蚀材
料喷涂在宇航结构件的表面上,形成烧蚀隔热涂层,在高温加热时烧蚀材料会融化、蒸发、升华或分解汽化从而带走大量热量,达到耐高温和保护飞船内部的目的.
三.选择烧蚀材料有那些要求呢?
由于飞船重量的限制,防热材料要求是重量尽可能轻的低密度烧蚀材料。比如神舟六号飞船的防热材料,就是按照这一标准从几十种材料中严格筛选出来的。为进一步将重量降下来,在材料的使用上采用了蜂窝格的设计,这种既有密度又很疏松的设计,保证了神舟飞船穿上的是轻薄的“隔热衣”.
四.都有哪些烧蚀材料?
烧蚀材料多是复合材料制成,而往往复合材料多孕育这太多的变化,不同的基体添加以不同的骨架材料,经加工后就可以制成新型的复合材料.
根据各类材料的基材,典型的烧蚀材料可以分为4大类:塑料基烧蚀材料,橡胶基烧蚀材料,陶瓷基烧蚀材料和金属基烧蚀材料.纤维增强酚醛类塑料有很好的烧蚀保护作用,它以纤维或布作为增强材料,再浸渍酚醛树脂作为基体,既为第一类材料了.其优点是抗烧
航空航天中的热防护材料性能优化研究与应用
航空航天中的热防护材料性能优化研究
与应用
从人类首次进入航空航天时代起,热防护材料就成为了航空航
天领域中不可或缺的一部分。热防护材料在飞行器进入大气层时,能够有效地将高温传递到周围环境,保护内部结构和设备免受热
损伤。随着航空航天技术的发展,对热防护材料性能的要求也越
来越高。因此,在航空航天中进行热防护材料性能优化的研究和
应用具有重要意义。
首先,热防护材料的传热性能是优化的关键。在高速进入大气
层的过程中,飞行器表面会受到高温气流的冲击,因此热防护材
料需要具备良好的传热性能,将热量迅速传递到大气中。传热性
能优化的关键是降低热防护材料的热导率和热传导系数。热导率
是材料传热的性能指标,热传导系数则是描述材料内部传热能力
的指标。通过选择热导率和热传导系数较低的材料,可以有效降
低热防护材料的传热性能,减少热量向内部的传递。
其次,热防护材料在高温环境下需要具备良好的耐热性能。在
航天器进入大气层时,表面温度会急剧升高,因此热防护材料需
要能够承受高温环境下的长时间作业。耐热性能优化的关键是提
高热防护材料的熔点和热稳定性。熔点是材料在高温下开始熔化
的温度,热稳定性则是材料在高温环境下的稳定性指标。通过选
择熔点和热稳定性较高的材料,可以增强热防护材料的耐热性能,延长其在高温环境下的使用寿命。
此外,热防护材料还需要具备较低的密度和良好的机械性能。
密度是衡量材料质量的指标,较低的密度可以降低飞行器的整体
重量,提高运载能力。而良好的机械性能能够保证热防护材料在
飞行过程中不会出现破损和失效。因此,在热防护材料性能优化
航天器热防护材料的发展概述
航天器热防护材料的发展概述
1 热防护材料
载人航天技术的发展,推动了载人航天器热防护材料的研究和发展。热防护材料是航天器与外部环境隔离的关键,是保护机体以及机
体内部设备和系统免受太空环境低温中的冷热破坏的重要手段。如今,热防护材料已成为载人航天器设计研究的关键性一环,引起了许多国
家和地区的极大关注。
2 热防护技术发展历程
在二十世纪50年代,苏联开展了人造卫星飞行,标志着载人航天
技术的诞生,也促进了热防护技术的初步发展。其后,随着载人航天
技术的不断发展,热防护技术也取得了一定成就。在二十世纪60年代,太阳光板、表层热护层外壳也发展了出来。70年代末,表层热护层外
壳的设计和实现也有了质的提升,由此热防护技术开始进入一个新的
发展阶段,为今后热防护材料的发展打下基础。
3 热防护材料发展现状
目前,热防护材料主要分为气体隔热层、祖母绿绝缘层、硅酸钾
绝缘层和复合隔热层等,可根据特定的使用要求,结合多种材料,形
成更加完善的热防护结构体系。例如,现代热防护材料结构采用一种
混合的形式,在航天设计中,积极运用碳纤维复合材料、导热材料、
复合砂浆、绝缘涂料等多种新型热防护材料。
4 热防护材料未来发展趋势
在未来,热防护材料将继续朝着多层、多种、轻质以及极薄的方向发展,不断加强更强大的热防护效果。此外,在热防护技术领域,超高分子材料、声速变质材料、复合材料、多孔材料均是未来热防护材料发展的重点方向。同时,随着空间技术的不断发展,将伴随出现新的新型热防护材料,使得未来的热防护材料发展更加多彩、多样。
总得来看,载人航天器热防护材料的发展几乎与载人航天技术的发展同步,当前的研究结果已取得较为显著的成果,但仍存在多方面的不足,未来将着力开发更加完善的载人航天器热防护材料,为载人航天器设计提供更加高效的保护手段。
北京航空航天大学科技成果——高效防护复合材料技术
北京航空航天大学科技成果——高效防护复合材料技术
成果简介
针对轻质高效防护复合材料技术进行了系统深入的理论分析和大量实验研究,突破了轻质复合材料装甲防弹/承力一体化结构设计、制备和应用技术等多项关键技术,获得了多项具有自主知识产权的创新成果。
在轻质防弹复合材料防弹机理理论分析方面,建立了纤维复合材料的多阶段靶板破坏模型,实现了弹击过程的动态模拟;在轻质防弹复合材料设计技术方面,首次提出了刚性梯度层设计理论和防弹/承力一体化设计方法,获得了良好的实用效果;在轻质防弹复合材料应用技术方面,设计制备了防弹/承力一体化轻质复合装甲材料装甲椅盆,已成功用于某武装直升机,获得了明显的减重效益;在轻质复合材料装甲开发方面,针对不同应用要求,开发出了十余个系列的轻质复合材料装甲,同时建立了系列化的轻质复合装甲材料弹道性能评价方法,制定了复合材料装甲工艺及性能测试等多个规范性文件。
应用领域
目前可针对军用、民用需求生产各类型轻质防护复合材料装甲,包括座舱防弹板、防弹装甲椅盆、大型驱逐舰导弹舱口盖、运钞车用装甲板、防弹衣用胸插板等防弹、防刺、防暴用品进行开发。
技术水平
“轻质防弹复合材料装甲技术”2008年获得国防科技进步二等奖。
北京航空航天大学材料力学课件材料力学总结.ppt
基本概念与理论 强度
(抵抗破坏)
刚度
(抵抗变形)
安
全
基
本
要
求稳
定
性( (
保 载
持 荷
原 不
有 大
平 ,
衡 变
形 形
式 却
) 很大
,
如
铁
丝
受
压
)
合 理 设 计
矛盾
经济、减重
材料力学的任务与研究对象
材料力学的基本假设: 连续性假设;均匀性假设;各向同性假设
杆受力和变形的形式: 拉压-杆, 扭转-轴,弯曲-梁
基本概念:,内力、应力( 正应力与切应力)、应变(正应变,切应变)应变能
基本定律:切应力互等定理、胡克定律、剪切胡克定律、圣维南原理、 叠加原理
材料的力学性能
塑性材料 低碳钢四个阶段:线性阶段(应力应变成正比,符 合胡克定律,结束点称为比例极限)、屈服阶段 (滑移线)(屈服极限)、强化阶段(强度极限)、 局部变形(颈缩)阶段(名义应力下降,实际应力上升)
MD-最大正弯矩 MB-最大负弯矩
截面B
截面D
MD MB , ya yd s a s d
危险点- a, b, c
sa
MD y2 Iz
-59.8 MPa
sb
MD y1 Iz
28.3 MPa
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航空航天热防护材料-事故原因及材料分析
美国“哥伦比亚”号航天飞机外部燃料箱表面泡沫材料安装过程中存在的缺陷,是造成整起事故的祸首。“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会去年公布的调查报告称,外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的名为“增强碳碳”(即增强碳-碳隔热板)的材料。当航天飞机返回时,经过大气层,产生剧烈摩擦使温度高达摄氏1400度的空气在冲入左机翼后融化了内部结构,致使机翼和机体融化,导致了悲剧的发生。
事故发生后,由于无法迅速找回事发时的泡沫材料和燃料箱进行检验,宇航局和事故调查委员会一直没对事故原因作出最终定论。目前,“哥伦比亚”号外部燃料箱约50万块碎片已被找到并重新拼在一起。宇航局负责“哥伦比亚”号外部燃料箱工程的首席工程师尼尔·奥特说,宇航局经多次试验确定,泡沫材料安装过程有缺陷是造成事故的主要原因。
美国航天史上曾发生过3起巨大灾难。第一起是1967年1月27日“阿波罗”号飞船升空时爆炸,3名宇航员遇难;第二起是“挑战者”号航天飞机1986年1月28日升空时爆炸,包括1名女教师在内的宇航员全部遇难;第三起是2003年2月1日,“哥伦比亚”号航天飞机在完成16天的太空研究任务后,在返回大气层时突然发生解体,机上7名宇航员全部遇难。空难发生后,由美国宇航局(NASA)
支持组成了由材料和工艺工程师及科学家组成的调查组[1]。调查组对飞机残骸进行了原位重组、残骸材料的冶金分析以及模拟试验,分析了航天飞机爆炸的原因。“哥伦比亚”号航天飞机的爆炸,震惊了世人,同时也引起了人们对材料的关注,从材料分析揭开了“哥伦比亚”空难之谜。
1“哥伦比亚”号航天飞机残骸材料的冶金分析
“哥伦比亚”号航天飞机1981年4月12日首次发射升空,是美国资格最老的航天飞机。“哥伦比亚”号机舱长18m,舱内能装运36t重的货物,外形像一架大三角翼飞机;
机尾装有3个主发动机和1个巨大的推进剂外贮箱,里面装有几百t重的液氧、液氢燃料,它
附在机身腹部,供给航天飞机燃料进入太空轨道;外贮箱两边各有1枚巨型固体燃料助推火箭。整个组合装置重约2000t。
2003年2月1日,“哥伦比亚”号在完成为期16天的科学实验任务后,在返航途中解体,7名宇航员丧生。灾难发生后,为了查清原因,首先由NASA支持组成了调查组,目的是对从得克萨斯州
和路易斯安纳州收集来的8.4万片大约38%飞机残骸重新按原位组装(如图l所示),提供实际数据进行分析,通过分析和再现的模拟试验来证实事故产生的原因[l]。调查组根据以下的检查分析结果以期作出判断:残骸的清洗和评估、热分析,以寻找航天飞机爆炸的起源;对各种材料的冶金分析,如Inconel、Al合金、不锈钢、C,C复合材料的X一射线和断口分析;机翼上的传感器和录音机的结果。在检查残骸时发现,连接上下翼展面板的钢紧固件表现出沿晶断裂的脆性断口,如图2所示。图3为中间体面板舷内上端的弹坑小半球冲蚀花样,表明该处发生很高的局部过热和大量的沉积物。在机翼前缘3个部分,重点研究了子系统面板隔热瓦、碳/碳复合材料(RCC)面板和机翼构件。在这个区域主要分析左机翼前的8号和9号面板附近沉积物成分和观察X射线显示的花样。分析结果指出,高
温离子流是从RCC面板内侧缝隙穿过上下面板进入,如图4所示。
用SEM/EDS光电子能谱分析,得出沉积物的化学成分是Fe、Al、Ni、Nb和C。由这些成分虽然不能明确确定是什么合金,但是它们与2000系铝合金、Inconel601、Inconel718以及面板与绝缘体有关。图5为左机翼8号RCC面板上部沉积物横截面的电子探针分析的金相图(a)及示意图(b)。隔热瓦上陶瓷的内表面上也发现该类沉积物,而其它部位完好,说明沉积物是从隔热瓦的内侧向外喷出的。经过X射线鉴定,矿渣为高温转变的多铝红柱石,其形成温度为1100℃;并在RCC面板试样上发现有Fe、Ni、Al等,这是由于左机翼RCC的8号面板横梁及翼展支撑材料是2024铝合金、Inconel 718合金,桅杆是A286合金。
“哥伦比亚”号航天飞机残骸材料分析的结果,与肉眼判断以及飞行录音机记录的异常解释是一致的。左机翼隔热瓦受损是“哥伦比亚”航天飞机解体的主要原因。航天飞机共有2万多块隔热瓦。如果隔热瓦松动、损坏或丢失,将改变航天飞机的空气动力学结构,再人大气层中遇到高温会使航天飞机的温度超过承受极限而导致破裂和爆炸。调查组收集到的分析数据指出:一个很大的热事件发生在靠近左机翼前缘的8号和9号面板下半部裂缝处,一种叫作Cerachrome的沉积融熔渣显示该处温度超过1649℃,可熔化掉金属支撑结构材料,冲蚀隔热瓦和RCC面板材料,烧坏起落架,使航天飞机失稳而最终爆炸。那么,这条裂缝是从哪里来的呢?原来在“哥伦比亚”号航天飞机升空时,就有人报告从外储存的燃料箱左侧双脚架处,掉下了一块冷冻的隔热泡沫砸到左翼碳/碳复合材料面板下半部附近,造成裂缝。因此,材料分析结果认为:在再人大气层过程中,高温热离子流穿过此处,使机翼铝合金、铁基合金、镍基合金结构熔化,导致航天飞机失控、机翼破坏和机体解体。在美国得克萨斯州的一个实验室所进行的1次模拟实验中,1个航天飞机机翼的复制品被泡沫隔热材料高速撞击后,留下1道裂缝。这一实验结果为“哥伦比亚”号航天飞机失事提供了最强有力的新证据。
2通用关键材料——航空、航天与核动力、装备机械材料
2.1航空材料
航空材料反映了结构材料发展的前沿,代表了一个国家结构材料技术的水平。航空材料的特点是轻质、高强、高可靠性。航空关键材料表现为高性能的树脂基和碳基复合材料,高、低温铁基、镍基合金和轻质铝合金等。碳纤维增强复合材料用于飞行器,可以降低其重量。大力发展高比强、高比模、抗腐蚀、耐高低温的多功能结构材料,可以实现结构减重。提高材料制备技术,可以降低制造成本和维护成本。航空发动机主要材料有铝合金、钛合金、铁基和镍基合金以及各类高温复合材料及智能材料等。表1为航空关键材料的国际评价闭。
2.2航天材料
火箭、导弹和卫星的种类很多,根据它们各自的需求不同,所用材料的选择是非常苛刻的。有些要求能抗高温、抗高压,如发动机推进剂药柱燃烧时会产生3000cC以上的高温、高压以及瞬时产生2500℃的温差热冲击,这就要求发动机的材料具有耐高温、高压的性能。有的导弹的选材则有必须能够随巨大的水下载荷,同时还要具有隐身性能好、抗干扰性强、可耐受恶劣环境等特点。有的火箭使用液氢、液氧作推进剂,这样火箭储存箱的材料就需要能够承受超低温,还要抗腐蚀。液氢液氧发动机具有推力大、能量密度大、无毒害、无污染的优点,提高了发动机的操作性、可靠性和可维护性。图6和图7分别为采用液氢液氧推进的航天飞机和俄罗斯联盟号火箭。航天飞机由波音747飞机运载升空后,用大型的装有LH:及L0:燃料箱供给入轨用的3台发动机。长征CZ一3X火箭首次使用L0/LH:发动机,要求低温材料具有高比强度和良好的低温韧性,常用的有奥氏体不锈钢、铝合金、铁基和镍基合金、钛合金等,如图8所示。再如“哥伦比亚”号航天飞机的机翼是用蜂窝结构的2024铝合金制成的,而螺栓是用IN1718和A286合金制成的。