再入航天器陶瓷拐角环防热计算与结构适用性分析

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1、航天返回与遥感第33卷第1期SPACECRAFrRECOVERY&REMOTESENSING2012年02月8再人航天器陶瓷拐角环防热计算与结构适用性分析李伟杰刘峰董彦芝张幸红(1北京空间飞行器总体设计部，北京100094)(2哈尔滨工业大学复合材料研究所，哈尔滨150001)摘要文章基于近地轨道及探月返回再入热环境，应用超高温陶瓷到再入航天器的典型防热结构，计算分析了再入过程中的防热结构温度场。利用温度场计算结果，再结合超高温陶瓷抗烧蚀性能以及结构设计与工艺性分析。就超高温陶瓷作为再入航天器防热结构的适用性进行了深入探讨。结果表明，由于超高温陶瓷的优良耐高温及耐烧蚀性能，在近地轨道及探月

2、返回再入航天器防热结构上具有良好的应用前景。关键词返回再入超高温陶瓷防热结构温度场适用性航天器中图分类号：V476文献标识码：A文章编号：1009—8518(2012)01—0008—08DOI：10．3969／j．issn．1009-8518．2012．O1．002ThermalCalculationandStructuralApplicabilityAnalysisofCeramicAftRingAppliedonReentrySpacecraftLIWeijieLIUFengDONGYanzhiZHANGXinghong(1BeijingInstituteofSpacecraftSy

3、stemEngineering，Beijing100094，China)(2CenterforCompositeMaterials，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China)AbstractBasedonthethermalconditionsduringreentryfromlow-earth-orbitandlunarorbit，thispaperpresentsthetemperaturefieldsoftheultra-high—temperatureceramics(UHTCs)asthetypicalthermalprotec

4、tionstructureappliedonthereentryspacecraft．Combinedwiththeinvestigationoftheablationproperties，thestructuredesignaswellastheprocessingtechnology，afurtherdiscussionisconductedintermsoftheapplicabilityofUHTCsonthereentryspacecraft．TheresultsshowthatUHTCscouldprovideafavorableprospecttoresistreentryc

5、onditionfromthelow—-earth——orbitandthelunarorbitduetotheiroptimalthermalproperties．Keywordsreentry；ultra-high-temperatureceramics；thermalprotectionstructure；temperaturefields；applicability；spacecraft1引言可靠的防热技术和先进的热防护结构材料是再人航天器成功返回的重要条件。对于再人航天器应用的防热结构．美国航天飞机的翼前缘部位应用的是增强C／C材“，航天飞机再人时经受的热流环境分别为，中收稿日期

6、：2011-11-03基金项目：国家重大科技专项工程第1期李伟杰等：再入航天器陶瓷拐角环防热计算与结构适用性分析9问底部结构位置的峰值热流约为6Okw／m，翼前缘处峰值热流为600kW／m2；Apollo飞船指挥舱的防热结构为双层结构形式，迎风面球半径为4．69392mt21。防热材料采用Avcoat5026—39／HC—G，为玻璃填充环氧树脂材料，密度为497k~m，防热层厚度根据局部热环境的不同呈现非均匀分布，该防热结构的烧蚀温度能够达到922KI31。除上述几种防热材料外，近年来超高温陶瓷受到航天科研人员的高度重视，美国、意大利等国更是将其作为在研再人飞行器防热结构(包括美国SHAR

7、P项目、意大利SHS项目等)的重要候选材料。所谓超高温陶瓷，是指在超高温环境及反应气氛中能够保持物理和化学稳定性的一类特殊材料，这类材料具有高熔点、高热导率及良好的抗氧化能力等特性，是极端环境下使用的新型耐高温结构材料[41。超高温陶瓷的相关研究结果表明，ZrB：一20vo1％SiC材料体系具有较好的防热性能。本文针对再入航天器的典型防热结构——后端防热拐角环部件，应用超高温陶瓷(ZrB：一20vo1％SiC)作为拐角环