发布时间:2022-05-05 分享到:
【中国航天日】系列科普 | 第2期 揭秘神舟十三号返回舱的“防热衣”


神舟十三号载人飞船返回舱载着三名航天员返回地球,在返回过程中,返回舱与大气层剧烈摩擦,形成两千多度的高温,但里面的航天员却不会因此而受到高温炙烤,返回舱究竟是如何经受住高温考验的呢?让我们来一起看看。 

 

专家介绍,确保返回舱烧不坏的关键就是安装在返回舱最外层的防热材料,它可以在高温烧蚀过程中熔化、升华,从而带走大气摩擦带给返回舱的热量,保证航天员在舱内的安全与舒适。

 

载人航天的返回舱对于安全性的要求极高,这要求防热材料不仅耐高温,还需要高强度,而且重量越轻越好。研制人员在防热材料的选择过程中进行了成百上千次的试验,最终确定了蜂窝状的防热材料。这种防热材料已经随神舟飞船返回舱经历了十几次的实战测试,验证了其良好的防热性能,每次返回舱返回地球后,科研人员会到现场对烧蚀后的材料进行取样研究,为后续更好地进行太空探索任务做好准备。

据神舟十三号返回舱防热结构专项主任工程师梁馨介绍,此次为神舟研制的防热材料有100多种,最后选择了蜂窝增强烧蚀防热材料,让返回舱拥有了坚固的“防热衣”。

 

航天器在飞行过程中会因气动热效应或含能材料的燃烧等原因,承受高温、高压、强冲刷、高热流等热载荷的作用,为保持航天器内部正常工作温度,保证设备和人员安全,热防护系统稳定,保证飞行器结构材料的正常工作,需采用耐高温热防护材料对航天器进行热防护。进入21世纪以后,航天深空领域进入更新换代的高潮期,促使航天器耐高温热防护材料的快速发展。

 

常见的耐高温热防护材料有碳/ 碳复合材料、树脂基材料、陶瓷基复合材料、难熔金属、石墨、及新型隔热材料等材料。在气动热载荷的作用下,烧蚀材料自身发生熔化、蒸发、升华、热解、氧化等一系列复杂的物理化学变化,并伴随热阻塞效应和表面再辐射作用,阻挡、消耗大量热量。

轻量化是航天领域对材料的基本要求之一,是研制高性能航天器的重要前提,也是宇航烧蚀防热材料的重要发展方向。

目前,宇航烧蚀防热材料已从早期的耐高温、密度大的难熔金属和石墨发展到中低密度碳/碳复合材料(密度1.3~2.0g/cm3)和纤维增强树脂基复合材料(密度1.4~1.7g/cm3),同时针对特定的热防护系统需求开发出了密度更低(<1.0g/cm3)的烧蚀防热材料,广泛应用于航天领域。

轻质烧蚀防热材料主要包括轻质陶瓷隔热瓦材料、蜂窝增强低密度材料、纳米多孔气凝胶材料、酚醛树脂基低密度材料、弹性体烧蚀防热材料等。对于蜂窝增强热防护材料,往往以尼龙/酚 醛、石英/酚醛、碳/酚醛等作为蜂窝增强体,起到固定基体,抵抗气流剪切力的作用,并以硅橡胶、 硅树脂、酚醛树脂等作为基体相,辅之以短切石英纤维、玻璃微球、酚醛微球等,进一步降低材料密度,提高材料强度和隔热性能。

 

目前,耐高温热防护材料向着低密轻质、耐热能力优异、成本更低、刚性更大等方向发展。在一次性热防护以及航天器、空间探测器的高烧蚀环境,具有不可替代的重要作用。

 

责任编辑:刘丹



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