37b轨道飞行器热防护系统概况

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1、X-37B轨道飞行器热防护系统概况鲁芹俞继军苗文博周伟江摘要X-37B轨道飞行器是美国波音公司制造的第一架可重返大气层并能水平着陆、执行在轨试验任务的无人看重复使用的试验机。其所采用的热防护系统不同于以往的高超飞行器。本文介绍了X-37B的项目概况、热防护系统与热结构，以及所用的材料的目前研究现状。关键词X-37高超飞行器热防护系统引言美国东部时间2010年4月22日19时52分(北京时间23日7时52分)，可重复使用的X-37B轨道测试机搭乘阿特拉斯－5型运载火箭在弗罗里达州卡纳维尔角发射升空。X-37B飞行器是一架进

2、行在轨和高速返回技术验证的试验飞行器，主要目的是验证热防护系统和再入系统。它的任务是验证NASA轨道太空飞机项目中25项创新的航天技术，其中包括验证新型的、先进的热防护系统。1.项目概况X－37B是美国空军轨道测试飞行器（OTV）的代号，由美国波音公司幻影工作室制造。美国航天局的X-37项目开始于1999年，按原计划X－37将在2002年进行第一次大气层内的无动力试飞，而轨道试飞和两次正式任务将被安排在2003年。但是，美国空军2002年取消了X-37项目。2003年11月，美国航天局在美国空军的要求下重新恢复X-37试

3、验型空间飞机在轨飞行270天的计划，目的是验证装有照相机和炸弹的空间飞机一次飞行在地球轨道呆几个月的可行性。2004年，美国航天局声称X-37计划不再符合NASA的长期目标，并在同年的9月13日把这个计划转移给美国先进计划研究局(DARPA)。2005年6月21日，X-37搭乘曾首次进入太空的民用运载飞机白骑士首次空中飞行试验。2006年，美国航天局因缺乏资金无力发展X-37，由美国空军接手了该项目。2007年4月，DARPA曾在大气层边缘对X-37进行了首次秘密投放测试。试验中，X-37被带到太空，然后被释放并直接降落

4、。降落时，X-37飞出跑道，机头部严重受损，试验并不完全成功。目前的X-37B轨道测试机计划就是在此基础上发展起来的新型航空航天飞行器，其主要承包商为波音公司。2.热防护系统与热结构2.1总体结构X-37B长约8.8米，翼展4.6米，机高2.74米，重约5吨，试验货舱长2.13米，直径1.22米，可容纳227千克的试验设备，装有1台大型火箭发动机，能以1126千米/时的速度进行显著的变速和脱轨机动，飞行高度为202~925千米。X-37原计划使用无毒可存储的高纯度过氧化氢和JP-8煤油作为氧化剂和燃烧剂，推力约31千牛，

5、用于满足轨道机动和轨道返回所需。不过随着美国航空航天局转交X-37项目，X-37B的推进剂从无毒可存储的过氧化氢和JP-8煤油换成技术成熟的四氧化氮/肼燃料，从而使X-37具备更强的空间机动和离轨能力，它可以在轨停留270天。X-37B在外形上与航天飞机很相似，但它们所使用的热防护系统不同，表1给出了X-37B与航天飞机的对比。从表中看出，X-37B的热防护系统更先进：飞行器使用的是薄层轻质的复合材料结构，其防热能力更强，并且可重复性更好。表1X-37B与航天飞机的对比飞行器航天飞机X-37B机身铝合金结构石墨/聚酰胺复

6、合材料结构翼前缘抗氧化碳碳材料（3000）强化单体纤维抗氧化陶瓷（3086）迎风面可重复使用表面隔热瓦（2300）可重复使用绝热毡（2400）体舵面上表面：硅橡胶浸渍的Nomex毡下表面：可重复使用表面隔热瓦碳-碳化硅材料.2一体化机身防热结构X-37的机身采用一体化的石墨/聚酰胺三明治构架，如图1所示，减少了防热瓦和防热毡的使用量。相对于传统的金属（钢、钛、铝）构架，石墨构架大大降低了飞行器的重量，也提高了飞行器结构构架的整体防热能力。图1一体化的BMI石墨三明治构架2.3一体化翼前缘防热结构图2给出的是X-37B的翼

7、前缘一体化高温热结构试验条件，其防热材料由强化单体纤维抗氧化陶瓷材料（TUFROC）构成，由NASA的Ames中心研制，其所能承受的最高温度可达3086，这是一种由两层轻质材料组成的热防护系统。该轻质系统（400kg/m3）由一经过处理的含碳的盖板组成，背部由纤维隔热基底覆盖，盖板由耐高温抗氧化陶瓷隔热材料（ROCCI）制成。含碳盖板用高效钽基复合材料（HETC）渗渍，形成一个坚固的梯度表面。盖板提供了一个空间尺寸稳定的外层模型线，基部提供了一个低导热率隔热层以保护飞行器的结构。目前的研究目的是改进TUFROC材料在表面

8、高温情况下的可重复使用性。图2NASA的Ames中心的试验组装及试验后的翼前缘2.4迎风面上的防热结构在高动压、高温迎风面上采用的是拱形可重复使用绝热毡（CRI）和强化单体纤维隔热瓦（TUFI）。波音公司负责研制了一对能在迎风面和背风面的保形的可重复使用的隔热材料CRI，其最大可使用温度高达2400。TUFI的材料组