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承受住两千多摄氏度的高温考验，神舟十二号表面的隔热材料是如何被选择的
承受住两千多摄氏度的高温考验，神舟十二号表面的隔热材料是如何被选择的
9月17日，神舟十二号载人飞船返回舱载着三名航天员返回地球，在返回过程当中，虽然返回舱与大气层剧烈摩擦形成一个大火球的样子，但是，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两千多摄氏度的高温考验的呢？这就要靠它表面的一种隔热材料。
01
高温烧蚀熔化升华，带走大气摩擦热量
工作人员介绍，在返回舱返回地球的过程中，首先就要面临高温的考验，在进入大气层的过程中，返回舱会与大气层发生剧烈摩擦，产生几千度的高温，确保返回舱烧不坏的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。
02
蜂窝状防热材料 耐高温 高强度
专家介绍，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。
03
防热材料经历神舟返回舱十几次实战测试
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。
04
高温隔热材料的类型都有哪些
国外已形成比较成熟的热防护系统试验验证及评估技术体系，验证试验涵盖了防热材料的热胀系数、热扩散系数、烧蚀率、震动及其耦合效应、空间碎片和微粒的高速冲击等各个方面。高温隔热材料主要有密度小、耐温高、热膨胀系数小、烧蚀率低、热扩散系数小等性质。
1 航天飞机高温隔热材料
再入过程中因气动加热，航天飞机机头锥帽部位的峰值温度可达1650℃；机翼前缘部位峰值温度可达1260℃；迎风面区域的峰值温度约为500-1260℃；测背风面的峰值温度则低于500℃。由于各部位热防护系统所处环境不同，航天飞机轨道器采用了多种隔热材料进行热防护。受热载荷最重的机头、机翼前缘部位使用RCC材料；迎风面使用了氧化硅型刚性陶瓷防热瓦；热载荷较低的背风面使用了氧化硅型柔性隔热毡。
1.1 可重复使用的高温绝热材料
可重复使用的高温绝热材料（HRSI）瓷砖可承受高达1260℃的温度。在航天飞机上，HRSI瓦片覆盖了包含起落架、外部脐带连接门在内的轨道器下表面的部分，也用在机身前上部--轨道机动系统吊舱，垂直尾翼的前缘，升降副翼后缘等。HRSI的厚度不单一，具体取决于再入时遇到的热载荷。除封闭区域外，这些瓷砖通常为15×15（平方厘米）的正方形。HRSI瓷砖由高纯度二氧化硅纤维组成。瓷砖体积的90%是空的，因而密度仅有140kg/m3,足以完成太空飞行。
后期部分HRSI被复合加工纤维绝热瓦（FRCI）替代。FRCI瓷砖提高了材料的耐久性与涂层的抗开裂性，在重量上也得到了减轻。
1.2 可重复使用的低温绝热材料
可重复使用的低温绝热材料（LRSI）覆盖在前缘附近的上翼，还用于前、中、后机身，垂直尾翼和轨道机动系统/反应控制系统吊舱的区域。这些瓷砖防护的再入温度低于649℃。LRSI瓷砖制造方式与HRSI瓷砖相同，但当轨道器暴露在直射阳光下时，白色有助于消除轨道器的热量。
LRSI瓷砖可以重复使用多达100次任务再进行翻新。每次任务后，这些瓷砖都会在装配车间中接受检查，在下一次任务前更换受损的瓷砖。在必要时，将间隙填料的织物片插入瓷砖之间，使得瓷砖之间紧密贴合，防止过量的等离子体穿透间隙。
1.3可重复使用的毡制绝热材料
可重复使用的毡制绝热材料（FRSI）是一种可在高达371℃的温度下提供保护的白色柔韧面料。FRSI覆盖了轨道飞行器的上翼面、上部有效载荷舱门、部分OMS/RCS吊舱和后机身。
1.4可重复使用先进的绝热材料
可重复使用先进的绝热材料（AFRSI）是在“哥伦比亚”号交付使用之后开发的，并首次用于“挑战者”号的OMS吊舱。这种白色低密度纤维状硅石棉絮材料形似被子，并取代了绝大多数的LRSI瓷砖。AFRSI材料比LRSI瓷砖需要的维护更少但热性能相同。在NASA对“挑战者”号若干次的使用之后，AFRSI被更广泛地用于“发现者”号，并且在NASA失去“挑战者”号之后取代了“哥伦比亚”号的许多LRSI瓦片。
1.5 碳纤维强化碳复合材料
碳纤维强化碳复合材料（RCC），是一种亮灰色材料，可承受的再入温度高达1510℃，可保护机翼前缘和机头盖。每个轨道器的机翼都有22个RCC面板，厚度约为6.4到12.7毫米。每个面板之间的T形密封允许这些面板和机翼之间存在热膨胀或横向移动。
为了具备抗氧化性以便重复使用，RCC的外层涂有碳化硅（SiC）。RCC对发射和再入期间的产生疲劳负荷具有高度抵抗力。RCC比瓷砖强，并且还用于轨道器前部连接点周围，用于适应爆 炸螺栓爆震的冲击载荷。RCC是唯一的热塑性弹性体（TPE）材料。
1.6 间隙材料
间隙填充材料由白色AB312纤维或黑色AB312布套（含有氧化铝纤维）制成。这些材料用于机头前缘，、侧舱盖、机翼、垂直稳定器和航天飞机主发动机等部件的隔热罩。门和移动表面在热防护系统中不可避免地产生了开放性间隙，必须保护其免受热量的影响。可将间隙填料添置在门和移动表面上，通过防止形成涡流来减小升温。
但在STS-114飞行中，部分间隙材料被认定存在潜在的安全风险，随后NASA移除了这些间隙材料。间隙填充物可能会引起机身下方产生湍流气流，进而导致进一步加热，可能损坏轨道器。
虽然RCC具有最佳的热防护特性，但它也比其它含硅元素材料和弹性隔热材料重得多，因此它仅限于相对较小的区域。一般来说，材料使用的目的是：在受热区域，使用与所需热保护一致，质量最轻的隔热材料。
2 载人飞船高温隔热系统
2.1 AVCCOAT
AVCOAT是由航空集团（AVCO）制造的特定烧蚀隔热材料。AVCOAT被用于阿波罗飞船指挥舱的隔热系统中。[4]尽管AVCOAT并未用于航天飞机轨道器，但NASA正在将该材料用于其下一代猎户座宇宙飞船。AVCOAT由环氧酚醛树脂，含特殊添加剂的玻璃纤维组成，密度约为0.51g/cm3,烧蚀后生成密度为0.107g/cm3的碳和密度为0.13g/cm3的二氧化硅。
2.2 酚碳热烧蚀板
酚碳热烧蚀板（PICA）是通过将碳纤维预制棒浸渍在酚醛树脂中得到的材料，具有低密度、在高热通量下具有高效烧蚀能力的优点。在样品返回任务与月球返回任务中，实验发现PICA具备高峰值加热能力，但PICA的热扩散系数低于其他高热通量烧蚀材料。
PICA由NASA艾姆斯研究中心在20世纪90年代研制。“星辰号”探测器返回舱大面积采用了PICA。返回舱进入大气层时飞行速度高达12.9km/s,刷新了宇宙探测器再入时飞行速度的新纪录，成为了有史以来最快的返回式航天器。PICA对于2006年返回地球的“星尘”任务的可行性至关重要。“好奇号”火星探测器也使用了PICA隔热罩进入火星大气层。
2.3 PICA-X
美国太空探索技术公司在2006-2010年为龙飞船开发了新型的PICA材料，命名为PICA-X,这一新材料是在PICA基础上改进而成，且更易生产。2010年12月8日，PICA-X热防护罩的第一次再入测试于DragonC1任务中进行。
PICA-X隔热罩的设计团队仅由十几名工程师和技术人员组成，但不论设计、开发都完全合格，且耗时不到4年。PICA-X的制造成本仅有PICA成本的1/10。
龙飞船最初使用的是初代PICA-X,后来配备了PICA-XV2,“龙二”飞船则使用了PICA-XV3。SpaceX表示每个新版本的PICA-X都是主要改进了隔热能力，而不是降低制造成本。
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_497485.html
来源：贤集网
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