陶瓷基复合材料在高超声速飞行器热防护系统中的应用.pdf

工艺与材料陶瓷基复合材料在高超声速飞行器热防护系统中的应用图1新材料对新型飞行器的促进摘要主要介绍了陶瓷基复合材料制成的热防护系统及热结构在吸气式高超声速飞行器不同部位(包括前缘、机身大面积区域和控制面)上的应用,并指出了存在的问题和面临的技术挑战。关键词高超声速飞行器热防护系统热结构陶瓷基复合材料引言当吸气式飞行器在大气层内高速飞行时,强烈的气动加热会给结构强度带来严重的问题,因此,必须要由一个性能良好的热防护系统(TPS)对结构提供保护,使飞行器底层主体结构维持在所允许的温度范围内。吸气式高超声速飞行器的结构设计面临严峻的技术挑战,其中之一来自于大的温度梯度。例如,飞行器液氢燃料贮罐中液氢温度低达-253℃,而TPS外表面的温度高达1100℃~1650℃,在如此大的温度梯度下,将热胀冷缩不一致的各种组件(储罐、隔热层、结构以及TPS等)组合装配起来,是一个很大的技术挑战。在吸气式高超声速飞行器的某些结构中,为减小阻力一般采用厚度很薄的剖面,这些结构往往要承受很高的温度载荷和机械载荷,但为了不影响飞行,必须维持其气动外形,因此,其TPS不允许采用烧蚀材料。飞行器在高速飞行时,为确保头锥前缘产生所需的激波,以使超燃冲压发动机捕获的空气流量最大化,这些部位也不允许线性烧蚀。除以上问题以外,飞行器迎风面存在的台阶会导致局部过热点,其外表面存在的缝隙会导致高温等离子体渗入到结构中。此外,推进系统与机身连接时的热膨胀不匹配、TPS全寿命周期成本等也是必须解决的技术问题。要解决上述所有问题,需要采用一种不同于航天飞机机身TPS的新型热防护和热结构方案。1陶瓷基复合材料历史表明新材料的应用使得新型飞行器成为可能(如图1所示)。对于吸气式高超声速飞行器而言,其TPS所需的材料必须同时具备耐高温(1100℃~2200℃)、高强度、高韧性、轻质和环境稳定性等特性。图2给出了不同材料的比强度(强度与密度之比)随温度的变化。最终的目标是需要一种在高温下具有高比强度的材料,如图2右上角阴影区域所示。满足以上要求的金属材料包括金属基复合材料(MMC)、超合金和钛金属。这些材料均具有高的比强度,但随着温度的升高,在大约1093℃时,其比强度均大大降低。C/SiC材料、先进C/C复合材料、SiC/SiC材料等陶瓷基复合材料(CMC)在高温下均具有高的比强度,因而适于吸气式高超声速飞行器的要求。图3给出了采用纤维增强的CMC的示意图。基材中的陶瓷纤维承受载荷,基材将外部载荷传递到纤维。纤维/基材界面之间可能还有涂层,该涂层对提高结构的韧性和抗脆性失效性能起关键作·08·飞航导弹2010年第2期工艺与材料图2不同材料的比强度随温度的变化用。此外,CMC的外表面还涂有一层环境障涂层,可避免材料在高温下被氧化。2高超声速飞行器的热防护方案如前所述,高超声速飞行器的大部分外表面都要经受强烈的气动加热,因此,必须对机身进行热防护,或者将其设计成为热结构,以保证飞行器即使在气动加热极为严重的条件下也能正常工作。在同一飞行器表面,由于不同部位受到的气动加热程度不同,所选取的热防护方式和热结构也各不相同。下面将分别讨论高超声速飞行器的前缘、机身大面积区域和控制面的热防护方案。,可以采用被动式、半主动式和主动式热防护方案来应对强烈的局部加热(如图4所示)。对于采用被动