2021年航空航天中的防热衣讲义.ppt

1平时人们见到的耐高温材料
航空航天中的防热衣
2021/1/26
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2“哥伦比亚”号引起的沉思
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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。
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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。
它震惊了世界！！！
。
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
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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。
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。
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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。
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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，×。其厚度随该处热流水平而不同，～64毫米，覆盖面积达480平方米，总重达4413千克。
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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。
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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。～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。
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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，～