航空航天中的“防熱衣”.ppt

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航空航天中的“放熱衣”,,1平時(shí)人們見(jiàn)到的耐高溫材料,,2“哥倫比亞”號(hào)引起的沉思,第一架航天飛機(jī)升空,１９８１年４月１２日當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午７點(diǎn)（北京時(shí)間２０點(diǎn)），美國(guó)航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心發(fā)射上天。發(fā)射時(shí)，只見(jiàn)“哥倫比亞”號(hào)尾部發(fā)出一道熊熊的火焰，冒出灰白色的煙云，接著，它凌空而起。長(zhǎng)長(zhǎng)的白煙一直向天空伸展。兩分多鐘后，固體燃料助推火箭脫離航天飛機(jī)，向離發(fā)射地點(diǎn)２５０公里的海洋濺落。試飛正常。,,,,2月一日，哥倫比比亞號(hào)航天飛機(jī)在返回途中不幸發(fā)生機(jī)毀人亡的災(zāi)難性事故，噩耗傳來(lái)，舉世震驚。,它震驚了世界！?。?。,事故發(fā)生后，哥倫比亞航天飛機(jī)防熱瓦表層幾處裂紋首先引起了專(zhuān)家和媒體的高度關(guān)注,防熱瓦,第一架航天飛機(jī)升空熱瓦就相當(dāng)于在墻上貼一層厚防厚的瓷磚，靠了這一保護(hù)層，航天飛機(jī)就能安然穿越大氣層，耐受幾千度的高溫。,從上一世紀(jì)60年代起，美國(guó)在發(fā)展載人航天器方面曾經(jīng)歷了兩個(gè)主要階段，一是一次性應(yīng)用的登月飛行用航天器，而后是發(fā)展能多次往返使用的航天飛機(jī)。為了能反復(fù)使用，需要攻克一系列技術(shù)難關(guān)，其中防熱瓦就是再入大氣層必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常航天飛機(jī)在返回大氣層時(shí)，要經(jīng)受因與大氣劇烈摩擦所產(chǎn)生的攝氏3000度左右的高溫，這一氣動(dòng)加熱溫度在航天飛機(jī)返航、著地前16分鐘左右（距地面約60公里）時(shí)變得最大，有時(shí)人們從電視畫(huà)面上看到經(jīng)大氣層返回的航天飛機(jī)似一團(tuán)被火球包圍的物體，就是這一緣故。,防熱瓦的隔熱原理,：約3厘米厚的防熱瓦通常由兩部分構(gòu)成：外層包覆的是不足1毫米的高輻射陶瓷材料，而內(nèi)部是導(dǎo)熱系數(shù)非常低的耐高溫陶瓷纖維。從俄美兩國(guó)現(xiàn)有的航天器再入防熱材料看，大致有以下幾種：一是采用難熔金屬蒙皮表面加涂高輻射涂層的輻射防熱材料；另一種是較早期使用的吸熱式防熱結(jié)構(gòu)材料，表面靠一層熱容大的耐高溫合金防熱蒙皮來(lái)吸收氣動(dòng)熱，再通過(guò)隔熱材料來(lái)阻止熱量傳向飛船內(nèi)部。這種材料由于重量大和成本高，現(xiàn)已基本不再采用了；第三種是燒蝕防熱材料，多用于一次性使用的飛船的再入防熱，主要為纖維材料或多孔顆粒加上有機(jī)物組成的低導(dǎo)熱復(fù)合材料，其原理是通過(guò)有機(jī)物熱化學(xué)分解和氣化帶走大量熱量和留下的多孔碳層起到了隔熱、耐高溫作用。美國(guó)航天飛機(jī)由于需要多次往返使用，因此采用的是前面所說(shuō)的表面具有高輻射性能的防熱瓦隔熱技術(shù)，但據(jù)說(shuō)，美國(guó)航天局已在考慮把最外面的一層耐高溫陶瓷層改為耐高溫合金層，以解決目前防熱瓦過(guò)于脆弱的問(wèn)題。,四種不同類(lèi)型的防熱瓦。,一種采用高溫可重復(fù)使用的表面隔熱材料，俗稱(chēng)高溫防熱瓦。它用在溫度為648～1260℃的表面，如機(jī)身中、前段和機(jī)翼的下表面。航天飛機(jī)再入時(shí)，以40o的攻角飛行，所以機(jī)身和機(jī)翼的下表面為迎風(fēng)面，是鼻錐和機(jī)翼前緣以外的最高熱流區(qū)。此種防熱瓦約使用了20000多塊，每塊尺寸為152.4毫米152.4毫米。其厚度隨該處熱流水平而不同，范圍為19.5～64毫米，覆蓋面積達(dá)480平方米，總重達(dá)4413千克。,另一種防熱瓦采用碳碳復(fù)合材料。它主要用在機(jī)身的鼻錐、機(jī)翼前緣。該防熱瓦總重約1698千克，使用的表面積約38平方米，使用處表面最高溫度約1650℃，表面呈黑色。第三種防熱瓦采用低溫可重復(fù)使用表面隔熱材料。它俗稱(chēng)低溫防熱瓦，用在溫度371℃～648℃的表面，如機(jī)身中、前段和機(jī)身的上表面(由于這些位置處在背風(fēng)面，所以表面溫度不高)。此種防熱瓦共用了7000塊，每塊尺寸為203毫米203毫米，厚度隨該處熱流水平而變化，覆蓋面積達(dá)255平方米，總重1014千克，經(jīng)涂層處理表面呈白色。,最后一種防熱瓦采用柔性可重復(fù)使用表面隔熱材料。該防熱材料是一種硅橡膠浸漬的氈狀物，用在表面溫度371oC以下的部位，如機(jī)身上表面和機(jī)翼上表面的后段以及機(jī)身兩側(cè)。每塊防熱瓦的尺寸遠(yuǎn)大于上述3種防熱瓦，典型的尺寸為900毫米1200毫米。其厚度為4.8～16毫米，覆蓋面積達(dá)333平方米，總重約532千克。由于它是一種柔性的氈狀物，所以可用常溫固化硅橡膠粘貼在機(jī)身鋁合金的結(jié)構(gòu)上。,上幾種防熱瓦實(shí)際上主要是一些疏松、輕質(zhì)而呈脆性的陶瓷材料，如高溫防熱瓦密度為0.14～0.35克/立方厘米，由于其耐溫高、隔熱好、質(zhì)量輕，高溫下不發(fā)生物理和化學(xué)性能的破壞并可重復(fù)使用，因此作為航天飛機(jī)防熱材料有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。但是，它們的這些性能卻給連接和承受力學(xué)載荷造成了很大的困難，留下了許多隱患。哥倫比亞號(hào)失事是因?yàn)樵谄痫w時(shí)遭到外力撞擊，結(jié)果導(dǎo)致防熱瓦上出現(xiàn)裂縫，使得超高溫氣流乘虛而入，最終造成飛機(jī)解體。,任重而道遠(yuǎn),航天飛機(jī)以其獨(dú)有的重復(fù)使用性、多用途性、經(jīng)濟(jì)性和良好的環(huán)境條件，為人類(lèi)的航天活動(dòng)開(kāi)辟了新的途徑，但這是以解決了大量復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題為代價(jià)換來(lái)的。例如，就防熱設(shè)計(jì)而言，一般返回式航天器(如返回式衛(wèi)星)只使用一次，再入防熱問(wèn)題較易解決，而航天飛機(jī)外形復(fù)雜，又要重復(fù)使用，因此它在返回地面時(shí)，對(duì)周?chē)諝獾膲嚎s和摩擦產(chǎn)生的高溫高熱的防護(hù)和處理問(wèn)題很復(fù)雜，要求有適合大面積復(fù)雜構(gòu)形的耐高溫、抗沖刷、重量輕、能多次使用的高級(jí)防熱材料，維修也應(yīng)方便。,3我國(guó)的航天事業(yè)（耐高溫材料）,我國(guó)有航天飛機(jī)嗎？全世界有美國(guó)有。亞特蘭蒂斯號(hào)，哥倫比亞號(hào)（爆炸），挑戰(zhàn)者號(hào)（爆炸），奮進(jìn)號(hào)、發(fā)現(xiàn)號(hào)、企業(yè)號(hào)（地面實(shí)驗(yàn)）俄羅斯的，暴風(fēng)雪號(hào)這名字不是因國(guó)家來(lái)區(qū)別的，而是宇宙飛船和航天飛機(jī)是不同類(lèi)型的航天器，都需要利用火箭發(fā)射上去，本質(zhì)區(qū)別是飛船是一次性使用，而航天飛機(jī)可以反復(fù)使用,我國(guó)進(jìn)行首次載人航天飛行取得圓滿(mǎn)成功。中華民族探索太空的千年夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)了。喜訊傳來(lái)，舉國(guó)歡騰，群情振奮。,飛船防熱衣輕薄透,飛船返回艙在以7.5公里／秒的速度返回降落時(shí)，表面溫度會(huì)達(dá)到2000～3000℃，所以在返回階段，飛船的防熱設(shè)計(jì)非常重要，因?yàn)槿绻藭r(shí)防熱出了問(wèn)題，飛船必然燒毀無(wú)疑。2001年11月，在第三屆珠海航展上出現(xiàn)的神舟一號(hào)飛船的被燒蝕得有些斑駁的返回艙，曾是展會(huì)上最吸引參觀者眼球的一道亮麗的風(fēng)景。實(shí)際上，從1999年底神舟一號(hào)飛船勝利返航后，?？吭诒本┖教斐堑姆祷嘏摼鸵恢背惺苤姸嚓P(guān)注的目光。默不做聲的返回艙似乎在用自己并不好看的“黑臉”向人們無(wú)聲卻自豪地訴說(shuō)著飛船防熱衣的故事。,飛船以高速進(jìn)入大氣時(shí)產(chǎn)生的熱量足以使一般沒(méi)有防熱措施的航天器在大氣中焚毀。解決飛船再入防熱的途徑有兩個(gè)，一是設(shè)法減少氣動(dòng)加熱；第二是設(shè)法吸收或耗散熱量。前者是氣動(dòng)外型設(shè)計(jì)的研究范疇，后一個(gè)就是防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要達(dá)到的目的。航天器防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是要給航天器穿上防熱衣。當(dāng)然這種防熱衣是雙向的，既要能防熱又要能散熱。防熱結(jié)構(gòu)及防熱材料至今已經(jīng)歷了幾代航天器的發(fā)展。最原始的防熱方法是簡(jiǎn)單地在航天器的外表蒙上厚厚的銅或銅合金。原理是通過(guò)材料本身的熱容來(lái)吸熱；再后來(lái)防熱用上了燒蝕材料，利用材料的熱解、熔化、蒸發(fā)等方式散熱，,包括石棉或玻璃等與一種叫酚醛的物質(zhì)組成的無(wú)機(jī)復(fù)合材料。這種方法就是目前包括神舟飛船在內(nèi)的眾多飛船所普遍采用的方法。不過(guò)早期的衛(wèi)星、飛船大多數(shù)沿用導(dǎo)彈彈頭的防熱技術(shù)，防熱材料密度過(guò)大、結(jié)構(gòu)過(guò)于笨重，因而，長(zhǎng)期以來(lái)，防熱材料的密度和重量成為影響防熱結(jié)構(gòu)效果的瓶頸。,神舟系列,神州飛船返回艙全部采用我國(guó)自主研制的高科技材料制成，它的最大直徑2．517米，高2．5米，在飛船全密封結(jié)構(gòu)的艙壁上有一層隔熱層,把艙內(nèi)外溫度完全隔斷.艙壁最外面一層,是一種生活中極少用到的由聚四氟乙烯和玻璃纖維布組合起來(lái)的防護(hù)層,緊接著就是隔熱層,然后才是金屬殼體.返回艙的隔熱層是一種高科技的燒蝕材料，它不僅擔(dān)負(fù)著飛行中的隔熱任務(wù),重要的是返回艙在返回時(shí)與大氣劇烈摩擦，表面會(huì)產(chǎn)生上千度的高溫，通過(guò)燒蝕材料的燃燒才能把這些熱量帶走，在燒蝕層的每一個(gè)蜂窩里都有5到6厘米的棉狀填充物,這些可以經(jīng)受4000度的高溫。也在發(fā)展隱身飛機(jī)過(guò)程中起著重要的作用。,4航空專(zhuān)用的耐高溫材料,航天飛機(jī)隔熱系統(tǒng)用于保護(hù)航天飛機(jī)返航時(shí)與大氣摩擦所產(chǎn)生的高溫(1650C或3000F)。隔熱系統(tǒng)還有一個(gè)功能，就是幫助機(jī)艙在極端冷熱交替的太空中保持恒溫，也就是說(shuō)，防止機(jī)艙的熱散溢到太空中，也防止高溫從艙外傳入。隔熱系統(tǒng)覆蓋整架航天飛機(jī)，因各部位的隔熱需求使用數(shù)種不同材料。材料特性通常是熱導(dǎo)率K值較低的材質(zhì)，降低熱傳導(dǎo)效率而達(dá)到隔熱效果。,1：RCC(強(qiáng)化碳-碳復(fù)合材料)Reinforcedcarbon-carbon：用于返航時(shí)溫度高達(dá)1260C的航天飛機(jī)機(jī)鼻以及機(jī)翼前緣。特點(diǎn)：密度小、比強(qiáng)度大、線膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高、耐熱蝕、耐腐蝕性能好，在1000-2300強(qiáng)度隨溫度升高而升高。制備方法：化學(xué)氣相滲透法、化學(xué)氣相沉積法2HRSI(高溫表面絕熱瓦)High-temperaturereusablesurfaceinsulationtiles：用于航天飛機(jī)機(jī)腹，溫度低于1260C。,3FIB(彈性隔熱毯)FlexibleInsulationBlankets：通過(guò)測(cè)試，類(lèi)似毛毯之絕熱材料，用于隔絕航天飛機(jī)受熱低于649C之區(qū)域。,4LRSI(低溫表面絕熱瓦)Low-temperatureReusableSurfaceInsulationtiles：早期用于覆蓋部分航天飛機(jī)受熱低于649C之區(qū)域，后被彈性隔熱毯(FIB)取代。6TUFI(強(qiáng)化單體纖維絕熱瓦)Toughenedunipiecefibrousinsulation：于1996年開(kāi)始使用的強(qiáng)化絕熱磚，用于高溫區(qū)域，亦可用于較低溫之區(qū)域。,7FRSI(表面絕熱毯)Feltreusablesurfaceinsulation：白色Nomex絕熱毯，一種用于防火隔熱的芳香族聚酰氨纖維，覆蓋于航天飛機(jī)酬載艙門(mén)及部分航天飛機(jī)受熱低于371C之位置。,此外，先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)(ATF),輕型直升機(jī)(LH),歐洲戰(zhàn)斗機(jī)(EFA),高速民用運(yùn)輸機(jī)以及高性能發(fā)動(dòng)機(jī)全都要依賴(lài)于能在高溫、高壓下工作的先進(jìn)材料的發(fā)展。因此，耐高溫材料的研究路還很漫長(zhǎng)。。。。。。。,謝謝！,