烈火焚身若等闲——航天器热防护材料
马氏体
2023-05-01 16:44
航天器以每秒数公里乃至十几公里的速度重返地球时，与大气发生剧烈摩擦，表面温度上升到一两千度以上，如同一颗火流星划过天际。为了保护航天器和航天员的安全，需要使用如“金钟罩”一般的热防护材料。
目前，用于严酷环境的热防护材料主要是烧蚀热防护材料。它们以有机聚合物为基体、以纤维为增强体，通过各种物理、化学变化消耗自身而带走大量热量，阻止热量向内部传递。
德意志博物馆展出了美国上世纪60年代使用的烧蚀热防护材料样品，从前至后分别来自双子星8号（Gemini 8，1966年3月16日发射，完成人类首次太空对接）、双子星10号（1966年7月18日发射）和阿波罗8号（Apollo 8，1968年12月11日发射，完成人类首次绕月飞行）。
这些热防护材料的增强体是玻璃纤维-酚醛树脂（玻璃钢）构成的蜂窝，其间填充聚合物（橡胶或树脂）基体，并添加二氧化钛微球、玻璃空心微球、酚醛空心微球、短切石英纤维等填料，起到降低密度和热导率的作用。
双子星飞船使用的是道康宁公司（Dow-Corning，由化工巨头陶氏和材料巨头康宁公司合资成立，是有机硅材料领军企业）的DC-325硅橡胶。硅橡胶的主链是Si-O-Si-O结构，在硅原子上连接有各种有机基团（DC-325主要是甲基），从而赋予硅橡胶不同的性能。
在高温下，聚合物发生分解、炭化而吸收热量；气态分解产物的流失带走大量热量，并阻挡热气流的进入；黑色的炭化层通过热辐射的方式散热；硅橡胶氧化出的二氧化硅和石英、玻璃纤维成分熔融形成二氧化硅隔热层。
到了阿波罗计划，从月球返回的飞船具有更高的速度，面临更高的热量和更强烈的气流冲刷。为此，美国以环氧-酚醛树脂代替硅橡胶，填充于玻璃纤维-酚醛树脂蜂窝中，制成性能更好的烧蚀热防护材料。
我国的神舟飞船使用的是玻璃钢蜂窝支撑的苯基硅橡胶，并掺入石英短纤维、酚醛空心微球、玻璃空心微球等轻质功能填料。
位于返回舱底部的防热大底，在返回舱再入大气层时，起到抵挡热浪的盾牌作用。
防热大底的主体部分由H96热防护材料制成，外观上可见明显的蜂窝结构。H96材料的密度约0.71g/cm³，对于一克重量的发射成本相当于一克黄金的航天器来说，在性能允许的范围内尽量减轻重量，也是航天材料研发的重要追求。在返回舱的背风面，热流考验没有那么大，使用的是更轻质的H88材料，密度减小到约0.55 g/cm³。
（酚醛空心微球是降低防热材料密度的轻质填料，本身也起到烧蚀热防护的作用，由我国的酚醛树脂龙头企业山东圣泉集团研制）
在防热大底的外圈，是起承力作用的高密度玻璃钢拐角环，而这个部位也要承受最强的热流值，由玻璃纤维或石英纤维浸渍树脂（预浸料）缠绕成型。
为了满足深空探测对返回舱防热能力的更高要求，我国也开发了新一代热防护材料。在2014年10月24日发射的“嫦娥五号再入返回飞行试验器”上，使用了新一代碳硅聚合物复合蜂窝增强低密度烧蚀材料，其中碳基起到高温抗烧蚀和增加碳层强度的作用，硅基起到高温下发生熔融、吸收部分热量、减少碳基与氧气的接触、降低碳基氧化和收缩的作用。通过对轨道返回器不同部分受热情况进行精细划分，匹配了FG4、FG5、FG7、HC5等不同的防护材料。
在防热大底的拐角环上，使用了新型SPQ系列材料，这是由玻璃纤维、石英纤维和可分解有机纤维混合的预浸料制成的，并在其中掺入大量低密度填料，获得比神舟飞船所用的上一代材料更低的密度和更强的烧蚀隔热性能。
从月球返回的嫦娥五号返回器的速度高达11km/s，为了有效减速，它采用了“打水漂”的方式再入大气层，经过摩擦减速到7km/s（在几十秒内经受近3000度的高温考验），被高层大气反弹回太空，随后第二次再入（条件类似于常规航天器再入，数百秒内承受最高2000度的高温）。SPQ材料不仅能把月球“土特产”安全带回家，也被用作耐受高热流、超高温的弹道导弹的弹头热防护材料。
上述材料都是一次性使用的。在可重复使用航天器受到越来越多关注的今天，可否让热防护材料也能多次使用呢？
（我国的新一代载人飞船试验船，2020年5月5日由长征五号B运载火箭发射，5月8日返回舱成功着陆。返回舱是可重复使用的，但每次都需要更换热防护材料）
美国在航天飞机上率先开展了可重复使用航天器的探索，其难点之一就是可重复使用的热防护材料。针对这一需求，烧蚀热防护机理不再适用，而是要依靠材料的低热导率、红外热辐射阻隔能力和辐射散热能力。
在航天飞机的机头、机腹和垂尾前缘大部分区域（深蓝色），覆盖着两万多块“高温可重复使用表面隔热瓦”（HRSI）及其改进型号。
这是一类陶瓷纤维复合材料，制备过程是把石英纤维、氧化铝纤维和硼硅酸铝纤维等耐高温纤维加工成短切纤维，与作为粘结剂的二氧化硅溶胶、氮化硼、碳化硼等混合，加水混合，浇注成型后高温烧结。纤维粘结而成的结构具有丰富的孔隙，从而获得低热导率和低密度（约0.1~0.4g/cm³）；有些隔热瓦还会掺入碳化硅颗粒，起到反射红外热辐射的作用；隔热瓦表面涂有黑色的硅化物和硼硅盐玻璃涂层，起到辐射散热的作用。这类隔热瓦可用于温度不超过1260℃的区域。温度更高的机鼻和机翼前缘则使用碳/碳复合材料，利用碳材料更强的高温性能和辐射散热能力；温度较低的机背区域则使用陶瓷纤维隔热毡。
无论对于和平利用太空的载人飞船、空天飞机，还是决胜于千里之外的弹道导弹、高超声速飞行器，热防护材料让它们能够经受烈火焚身的考验，飞得更快、更远。
相关阅读：
什么样的刹车盘能刹住时速几百公里、重几百吨的飞机——碳/碳复合材料
虽无球差校正眼，但怀扫描透射心
从一闪而过的荧屏画面中解析工业生产流程
破解材料密码，见证中国科技进步
做一个比铁还硬、比钢还强的工业党
欢迎关注个人微信公众号“材闻窗外事”
参考资料和素材来源：
中央电视台. 《新闻直播间》20220426 神舟十三号飞船返回舱开舱“防热衣”助返回舱搭载人员物品安全返回.
https://tv.cctv.com/2022/04/26/VIDENu3G8GMvqT8NNZYimYln220426.shtml
薛华飞,姚秀荣,程海明, 张幸红,刘兆晶. 热防护用轻质烧蚀材料现状与发展. 哈尔滨理工大学学报,2017,22(1):123-128.
冯志海,师建军,孔磊,罗丽娟,梁馨,匡松连. 航天飞行器热防护系统低密度烧蚀防热材料研究进展. 材料工程,2020,48(8):14-24.
董彦芝,刘峰,杨昌昊,张高,赵建设,罗晓光,欧东斌,梁馨,郭梅梅,马彬,逯运通. 探月工程三期月地高速再入返回飞行器防热系统设计与验证. 中国科学（技术科学）,2015,45(2):151-159.
王康太,冯坚,姜勇刚,冯军宗. 陶瓷纤维刚性隔热瓦研究进展. 材料导报,2011,25(23):35-39.
NASA. Orbiter Thermal Protection System.
https://www.nasa.gov/centers/johnson/pdf/584728main_Wings-ch4b-pgs182-199.pdf
