轻质烧蚀材料研究综述

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1、第28卷第4期航天器环境工程2011年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING313轻质烧蚀材料研究综述吴晓宏1，陆小龙1，李涛2，易忠2(1．哈尔滨工业大学空间表面化学工程与防护研究中心，哈尔滨150001：2．北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术重点实验室，北京100094)摘要：深空探测的发展对航天器再入热防护提出了更高要求，而轻质烧蚀材料因其烧蚀性能优异和结构重量轻等特点已越来越受到重视。文章总结了轻质烧蚀材料的特点和发展历程，介绍了轻质烧蚀材料常用的基体和填料，并对新型烧蚀材料发展方向进行了展望

2、。关键词：航天器再入；热防护；轻质烧蚀材料；深空探测中图分类号：V259文献标识码：A文章编号：1673—1379(2011)04—0313-05DoI：10．3969(j．issn．1673-1379．2011．04．0020引言卫星、飞船等航天器以高超音速穿越大气层(再入返回地球)时，在气动加热下其表面温度最高可达10000℃，因而需要对航天器进行严格的热防护设计来保护其内部结构和仪器设备。热防护设计方法主要有烧蚀法、吸热法和辐射法。其中，烧蚀法所用到的烧蚀材料由于具有防热效率高、工作可靠、适应流场变化能力强等优点，在航天器热防护结构

3、中被广泛采用。烧蚀法的工作原理是通过表面烧蚀材料在高温下的升华、熔化、碳化等反应以及烧蚀后表面碳层再辐射的方式进行换热来消耗热量，达到对表面气动加热的主动防护[1_2】。常见的烧蚀材料按照其烧蚀机理不同可以分为升华型、熔化型、碳化型；按其质量密度可以分为低密度烧蚀材料(一般在1．0g／cm3以下)和高密度烧蚀材料。为了适应航天器小型化、低发射成本的要求以及深空探测的发展，需要进一步提高航天器的结构比效率，减轻航天器重量，对轻质烧蚀材料提出了迫切需求，因而发展新型轻质烧蚀材料越来越受到重视[3卅。轻质烧蚀材料一般以酚醛树脂、环氧树脂或硅橡胶

4、等作为基体，以纤维、酚醛微球、玻璃微球等作为增强材料或填充剂复合而成，其密度范围通常在0．2～0．9g／em3之间。轻质烧蚀材料具有密度低、导热系数小、引射效应好、残碳率高、碳层耐燃气冲刷性能好、碳层表面辐射率高等优点，能有效地阻止气动热向舱体内部结构传递，已广泛应用于月球探测、火星探测等深空探测器的热防护系统[5】o本文总结了轻质烧蚀材料的发展历程，还重点介绍了轻质烧蚀材料常用的基体和填料。1轻质烧蚀材料的发展随着航天技术的发展，为了满足不同再入环境的热防护要求，已陆续开发出不同类型的轻质烧蚀材料。20世纪60年代初，为了满足卫星、飞船

5、等航天器结构轻量化的要求，采用比重小和导热系数低的弹性硅橡胶、酚醛或者环氧树脂为基体，以石英纤维、酚醛微球为填充物，以酚醛蜂窝为承载结构，研制出低密度烧蚀材料。例如，美国的“阿波罗”飞船所采用的AVCOAT一5026烧蚀材料就是一种以环氧改性酚醛为基体、以石英纤维为填充物、以酚醛蜂窝为承载结构的低密度烧蚀材料：“双子星座”飞船所采用的DC一325烧蚀材料是以甲基硅橡胶为基体、以酚醛蜂窝为承载结构的低密度烧蚀材料【6】。20世纪60年代末至70年代初，为了适应航天器再入时间长、高焓、低热流等任务特点，美国洛克希德·马丁公司开发出了隔热性能优

6、异的低密度烧收稿日期：2011-05．23；修回日期：201I-06．08基金项目：国家863计划项目(编号：2008AAl2A207)；国家自然科学基金(项目编号：51078101)；上海市科学技术委员会火星探测关键技术研究项目(编号：lOdzlll0100)作者简介：吴晓宏(1977--)，女，教授，博士生导师，主要从事空间表面功能化与防护技术研究。E-mail：wuxiaohong@hit．edu．cn。314航天器环境工程第28卷蚀材料(SLA)。SLA是一种以硅树脂为基体，以软木、硅土和酚醛微球为填充剂，以酚醛蜂窝为承载结构的低

7、密度烧蚀材料，己成功应用于美国“海盗号”火星探测器【『J。20世纪90年代，NASA重启火星及太阳系其他行星的探测计划，先进的热防护材料研究重新受到重视。洛克希德吗丁公司在SLA基础上进行了改进，并将其与碳面板蜂窝夹层结构进行了连接，典型的SLA．561V热防护结构试样如图l所示”J，其结构层及尺寸如图2所示”J。SLA．561V己成功应用于1997年发射的“火星探路者”热防护系统。另外，NASA还开展了新型轻质陶瓷烧蚀材料的研究。例如，Ames研究中心研发的硅树脂浸渍可重复使用的陶瓷烧蚀材料(SIRCA)是以硅树脂为基体制备的，己成功应

8、用于“火星探路者”和“火星探测漫游者”飞船：酚醛浇注碳烧蚀材料(PICA)是以酚醛树脂为基体、以碳纤维作为增强体制备的，已成功应用于“星尘号”返回舱热防护系统，并且该材料己被选为新一代载人宇宙