航空航天中的“防热衣”

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包括石棉或玻璃等与一种叫酚醛的物质组
成的无机复合材料。这种方法就是目前包 括神舟飞船在内的众多飞船所普遍采用的 方法。不过早期的卫星、飞船大多数沿用 导弹弹头的防热技术,防热材料密度过大、 结构过于笨重,因而,长期以来, 防热材料的密度和重量成为影响防热 结构效果的瓶颈。

神舟系列
神州飞船返回舱全部采用我国自主研制的高科技材料制成, 它的最大直径2.517米,高2.5米,在飞船全密封结构 的舱壁上有一层隔热层,把舱内外温度完全隔断.舱壁最外 面一层,是一种生活中极少用到的由聚四氟乙烯和玻璃纤 维布组合起来的防护层,紧接着就是隔热层,然后才是金属 壳体.返回舱的隔热层是一种高科技的烧蚀材料,它不仅 担负着飞行中的隔热任务,重要的是返回舱在返回时与大 气剧烈摩擦,表面会产生上千度的高温,通过烧蚀材料的 燃烧才能把这些热量带走,在烧蚀层的每一个蜂窝里都有 5到6厘米的棉状填充物,这些可以经受4000度的高温。 也 在发展隐身飞机过程中起着重要的作用。
航空航天中的“放热衣”
1平时人们见到的耐高温材料
2“哥伦比亚”号引起的沉思
第一架航天飞机升空

1981年4月12日当地时间上午7点 (北京时间20点),美国航天飞机“哥伦 比亚”号在佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪 航天中心发射上天。发射时,只见“哥伦比 亚”号尾部发出一道熊熊的火焰,冒出灰白 色的烟云,接着,它凌空而起。长长的白烟 一直向天空伸展。两分多钟后,固体燃料助 推火箭脱离航天飞机,向离发射地点250 公里的海洋溅落。试飞正常。
3 我国的航天事业(耐高温材料)

我国有航天飞机吗? 全世界有美国有。 亚特兰蒂斯号,哥伦比亚号 (爆炸),挑战者号(爆炸),奋进号、发现号、 企业号(地面实验)俄罗斯的,暴风雪号这名字 不是因国家来区别的,而是宇宙飞船和航天飞机 是不同类型的航天器,都需要利用火箭发射上去, 本质区别是飞船是一次性使用,而航天飞机可以 反复使用


3FIB (弹性隔热毯)Flexible Insulation Blankets:通 过测试,类似毛毯之绝热材料,用于隔绝航天飞机 受热低于649 °C之区域。
4LRSI (低温表面绝热瓦) Low-temperature Reusable Surface Insulation tiles:早期用于覆盖部分 航天飞机受热低于649 °C之区域,后被弹性隔热毯(FIB)取代。
1:RCC (强化碳-碳复合材料) Reinforced carbon-carbon:用于返航时温度高达1260 °C 的航天飞机机鼻以及机翼前缘。特点:密度小、 比强度大、线膨胀系数低、热导率高、耐热蚀、 耐腐蚀性能好,在1000-2300强度随温度升高而 升高。制备方法:化学气相渗透法、化学气相沉 积法 2HRSI (高温表面绝热瓦) High-temperature reusable surface insulation tiles:用于航天飞机 机腹,温度低于1260 °C。

此外,先进战术战斗机(ATF),轻型直升机(LH), 欧洲战斗机(EFA),高速民用运输机以及高性能发 动机全都要依赖于能在高温、高压下工作的先进 材料的发展。因此,耐高温材料的研究路还很漫 长。。。。。。
谢谢!
从上一世纪60年代起,美国在发展载人航天器方面曾经 历了两个主要阶段,一是一次性应用的登月飞行用航天器, 而后是发展能多次往返使用的航天飞机。为了能反复使用, 需要攻克一系列技术难关,其中防热瓦就是再入大气层必须 解决的关键技术之一。通常航天飞机在返回大气层时,要经 受因与大气剧烈摩擦所产生的摄氏3000度左右的高温,这一 气动加热温度在航天飞机返航、着地前16分钟左右(距地面 约60公里)时变得最大,有时人们从电视画面上看到经大气 层返回的航天飞机似一团被火球包围的物体,就是这一缘故。
4 航空专用的耐高温材料
航天飞机隔热系统用于保护航天飞机返航 时与大气摩擦所产生的高温(1650 °C 或 3000 °F)。隔热系统还有一个功能,就是 帮助机舱在极端冷热交替的太空中保持恒 温,也就是说,防止机舱的热散溢到太空 中,也防止高温从舱外传入。隔热系统通常是热导率K 值较低的材质,降低热传导效率而达到隔 热效果。



飞船以高速进入大气时产生的热量足以使一般 没有防热措施的航天器在大气中焚毁。解决飞船 再入防热的途径有两个,一是设法减少气动加热; 第二是设法吸收或耗散热量。前者是气动外型设 计的研究范畴,后一个就是防热结构设计要达到 的目的。 航天器防热结构设计的任务就是要给航天器 穿上防热衣。当然这种防热衣是双向的,既要能 防热又要能散热。 防热结构及防热材料至今已经历了几代航天 器的发展。最原始的防热方法是简单地在航天器 的外表蒙上厚厚的铜或铜合金。原理是通过材料 本身的热容来吸热;再后来防热用上了烧蚀材料, 利用材料的热解、熔化、蒸发等方式散热,

最后一种防热瓦采用柔性可重复使用表面隔 热材料。该防热材料是一种硅橡胶浸渍的毡状 物,用在表面温度371oC以下的部位,如机身 上表面和机翼上表面的后段以及机身两侧。每 块防热瓦的尺寸远大于上述3种防热瓦,典型的 尺寸为900毫米×1200毫米。其厚度为4.8~16 毫米,覆盖面积达333平方米,总重约532千克。 由于它是一种柔性的毡状物,所以可用常温固 化硅橡胶粘贴在机身铝合金的结构上。
防热瓦的隔热原理
:约3厘米厚的防热瓦通常由两部分 构成:外层包覆的是不足1毫米的高辐射陶瓷材料,而内部是 导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维。从俄美两国现有的航天 器再入防热材料看,大致有以下几种:一是采用难熔金属蒙 皮表面加涂高辐射涂层的辐射防热材料;另一种是较早期使 用的吸热式防热结构材料,表面靠一层热容大的耐高温合金 防热蒙皮来吸收气动热,再通过隔热材料来阻止热量传向飞 船内部。这种材料由于重量大和成本高,现已基本不再采用 了;第三种是烧蚀防热材料,多用于一次性使用的飞船的再 入防热,主要为纤维材料或多孔颗粒加上有机物组成的低导 热复合材料,其原理是通过有机物热化学分解和气化带走大 量热量和留下的多孔碳层起到了隔热、耐高温作用。美国航 天飞机由于需要多次往返使用,因此采用的是前面所说的表 面具有高辐射性能的防热瓦隔热技术,但据说,美国航天局 已在考虑把最外面的一层耐高温陶瓷层改为耐高温合金层, 以解决目前防热瓦过于脆弱的问题。
它震惊了世界!!!
2月一日,哥伦比比亚号航天飞机在返回途中不幸发生机毁人亡的灾难性事故, 噩耗传来,举世震惊。
。事故发生后,哥伦比亚航天飞机防热瓦
表层 几处裂纹首先引起了专家和媒体的高度 关注
防热瓦
第一架航天飞机升空热瓦就相当于在墙上贴一层厚防厚的瓷砖 ,靠了这一保护层,航天飞机就能安然穿越大气层,耐受几千度的高温。
我国进行首次载人航天飞行取得圆 满成功。中华民族探索太空的千年 梦想实现了。喜讯传来,举国欢腾, 群情振奋。
飞船防热衣轻薄透
• 飞船返回舱在以7.5公里/秒的速度返回降落时,表面温

度会达到2000~3000℃,所以在返回阶段,飞船的防热 设计非常重要,因为如果此时防热出了问题,飞船必然烧 毁无疑。 2001年11月,在第三届珠海航展上出现的神舟一号 飞船的被烧蚀得有些斑驳的返回舱,曾是展会上最吸引参 观者眼球的一道亮丽的风景。实际上,从1999年底神舟一 号飞船胜利返航后,停靠在北京航天城的返回舱就一直承 受着众多关注的目光。默不做声的返回舱似乎在用自己并 不好看的“黑脸”向人们无声却自豪地诉说着飞船防热衣 的故事。


另一种防热瓦采用碳碳复合材料。它主要 用在机身的鼻锥、机翼前缘。该防热瓦总 重约1698千克,使用的表面积约38平方米, 使用处表面最高温度约1650℃,表面呈黑 色。 第三种防热瓦采用低温可重复使用表 面隔热材料。它俗称低温防热瓦,用在温 度371℃~648℃的表面,如机身中、前段 和机身的上表面(由于这些位置处在背风面, 所以表面温度不高)。此种防热瓦共用了 7000块,每块尺寸为203毫米×203毫米, 厚度随该处热流水平而变化,覆盖面积达 255平方米,总重1014 千克,经涂层处理 表面呈白色。

任重而道远

航天飞机以其独有的重复使用性、多用途性、 经济性和良好的环境条件,为人类的航天活动 开辟了新的途径,但这是以解决了大量复杂的 技术问题为代价换来的。例如,就防热设计而 言,一般返回式航天器(如返回式卫星)只使用 一次,再入防热问题较易解决,而航天飞机外 形复杂,又要重复使用,因此它在返回地面时, 对周围空气的压缩和摩擦产生的高温高热的防 护和处理问题很复杂,要求有适合大面积复杂 构形的耐高温、抗冲刷、重量轻、能多次使用 的高级防热材料,维修也应方便。
四种不同类型的防热瓦。
一种采用高温可重复使用的表面隔热材料, 俗称高温防热瓦。它用在温度为648~ 1260℃的表面,如机身中、前段和机翼的 下表面。航天飞机再入时,以40o的攻角飞 行,所以机身和机翼的下表面为迎风面, 是鼻锥和机翼前缘以外的最高热流区。此 种防热瓦约使用了20000多块,每块尺寸为 152.4毫米×152.4毫米。其厚度随该处热 流水平而不同,范围为19.5~64毫米,覆 盖面积达480平方米,总重达4413千克。

上几种防热瓦实际上主要是一些疏松、轻质而 呈脆性的陶瓷材料,如高温防热瓦密度为 0.14~0.35克/立方厘米,由于其耐温高、隔热
好、质量轻,高温下不发生物理和化学性能的 破坏并可重复使用,因此作为航天飞机防热材
料有其独特的优点。但是,它们的这些性能却 给连接和承受力学载荷造成了很大的困难,留 下了许多隐患。 哥伦比亚号失事是因为在起飞时遭到外力 撞击,结果导致防热瓦上出现裂缝,使得超高 温气流乘虚而入,最终造成飞机解体。
6TUFI (强化单体纤维绝热瓦) Toughened unipiece fibrous insulation:于1996年开始使用的强化绝热砖,用于高温区域, 亦可用于较低温之区域。
7FRSI
(表面绝热毯) Felt reusable surface insulation:白色Nomex绝热毯,一种用于防 火隔热的芳香族聚酰氨纤维,覆盖于航天飞 机酬载舱门及部分航天飞机受热低于371 °C 之位置。
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