高超飛行器熱防護技術簡析_風聞

作者：蘭順正

首發自：遠望智庫 海洋防務前沿

飛行器高速飛行時，因空氣強烈壓縮和摩擦作用，產生強烈的氣動熱，使得飛行器在高温高壓的熱環境中飛行，飛行速度越快，其面臨的氣動加熱也越加嚴重。而新一代臨近空間高超聲速飛行器由於氣動佈局複雜、飛行時間長、氣動總加熱量與發動機燃燒廢熱大以及艙內高能密度儀器設備使用廣泛等新特點，使得飛行器的熱防護顯得尤為重要。

按照熱量轉移方式，典型的熱防護有主動冷卻、半主動冷卻和被動冷卻等3 種方案。

在主動冷卻方案中，大部分熱量由冷卻流或工質帶走，從而被攔堵住不能傳至次層結構。它能夠在不改變飛行器氣動外形的條件下長時間工作，滿足了高超聲速飛行器高速巡航條件下的熱防護要求，其方式包括髮汗冷卻，薄膜冷卻和對流冷卻3種。主動冷卻技術由於結構和技術複雜，檢查、維護、維修不便，可靠性又不高，導致其使用受到限制，且目前尚處於探索階段。

半主動方案則介於被動冷卻和主動冷卻之間，熱量大部分靠氣流或工質帶走。其可採用熱管結構、燒蝕結構和高導熱層疏導式結構。半主動冷卻方案中儘管燒蝕結構熱防護技術較為成熟，但燒蝕結構需要犧牲表面燒蝕材料以此來實現對氣動熱的防護作用，特別是對高超聲速飛行器的尖鋭頭錐，嚴重燒蝕會導致結構改變無法保證高馬赫飛行。而對於零燒蝕要求，其技術仍未達到成熟階段。

在被動冷卻方案中，熱量被吸收或由表面輻射出去，不需要工質來排除熱量，技術可靠、結構簡單。

試驗結果表明，在相同熱環境下，主動熱防護冷卻效果最好，半主動熱防護次之，被動熱防護相對較差。主動熱防護通過消耗熱沉持續實現熱防護，因此可以用來承受長時間較高密度熱流。主動熱防護具備閉環温度控制、可重複使用等優點，其可用於較高的熱流密度並持續長時間氣動加熱部件的熱防護。然而從研製難度和成本而言，被動熱防護不需要攜帶額外冷卻工質，冷卻過程最簡單，研製難度和成本最低，所以目前各個國家更加傾向於選擇被動防熱方案。

針對高超聲速飛行器大面積被動熱防護系統，當下研究較多的主要包括：

1柔性隔熱氈

柔性隔熱氈是一種最輕的飛行器表面熱防護系統，它具有輕質、柔性、耐高温、甚至可摺疊等特點。柔性隔熱氈是一種棉被式的防熱結構，不存在熱匹配問題，可以減少製造和安裝方面的複雜性，主要採用膠粘劑粘接的方式與機身主結構相連，具有質量輕，耐熱震性優異及成本低等優點，其使用温度一般在300℃ ~1200℃。為了進一步提高它的防熱性能，往往在隔熱氈外表面覆蓋耐高温塗層。柔性隔熱氈採用粘接方式連接到蒙皮上，僅能夠承受有限的氣動載荷和機械載荷，主要用於表面温度不高、承載不大的背風面。

航天應用中涉及較多的美國3M公司的Nextel陶瓷氧化物連續纖維，主要是Nextel 312和Nextel 440兩種型號，其編織物在高達1100℃的持續高温下依然能夠維持其柔韌性和強度，並且基體不變形收縮。除了Nextel系列柔性隔熱材料之外，還有柔性複合使用的表面隔熱氈（FRSI）、先進柔性重複使用的表面隔熱氈（AFRSI）、以及複合柔性的隔熱氈（CFBI）等。

2高温隔熱瓦

高温隔熱瓦容重低，空隙率高，在高温下也能有穩定的形狀和強度，此外還具有優良的隔熱、輻射散熱、保持氣動外形和抗沖刷的作用。高温隔熱瓦是美國航天飛機最主要的熱防護材料之一，其在航天飛機總熱防護表面的應用面積佔 68%。高温隔熱瓦主要應用於航天飛機的機身及機翼下表面的高温區（温度為600℃~1260℃），其發展主要經歷三代：全氧化硅纖維型、氧化硅纖維及硼酸鋁纖維耐火複合材料、陶瓷隔熱材料。高温隔熱瓦耐温不超過1200℃，承受外載荷能力及抗氣流沖刷能力有限，尺寸較小，數量多，結構複雜，如美國航天飛機的隔熱瓦尺寸在50mm×50mm到200mm×200mm量級，共有3萬餘塊 ，膠接連接方式可靠性不高。2003年2月美國哥倫比亞航天飛機返回地球時失事，正是由於外部燃料箱表面隔熱瓦脱落、擊中碳/碳材料的翼前緣並造成破壞導致的，事故造成7名宇航員遇難。

新型非燒蝕熱防護系統——單片增韌抗氧化複合結構（TUFROC）放棄了防熱與隔熱分別獨立的較為傳統的設計思想，實現了內層低密度與外層非燒蝕的梯度化設計。這成功解決了內部隔熱基體與外層防熱結構之間的熱匹配性問題，該結構已經應用於 X-37B空天飛行器，並實現了成功返回與再次發射。

3 蓋板式熱防護系統

蓋板式熱防護系統通過高温連接件將陶瓷蓋板與機身主結構相連接，蓋板與機身主結構之間填充柔性隔熱氈達到隔熱的效果。與隔熱瓦或氈相比，這種結構將防隔熱系統的承載和傳熱功能分開。承載和傳遞載荷的功能主要由飛行器表面的陶瓷蓋板來承擔，而隔熱功能由內部的隔熱氈來實現。金屬蓋板熱防護系統是目前技術成熟的一種防熱結構，其發展歷程主要經歷3個階段，分別為金屬支架熱防護系統結構，鈦合金多層壁熱防護系統結構及超合金蜂窩熱防護系統結構。

陶瓷蓋板式熱防護系統選用耐高温、抗氧化的C/SiC複合材料等作為蓋板，使用温度可達1650℃，是高超聲速飛行器最有潛力的大面積熱防護系統。歐洲和美國相關超聲速或高超聲速研究計劃的試飛器上均不同程度的採用C/SiC複合材料蓋板式熱防護系統，如歐洲超聲速飛行計劃Pre-X。