什么⽪肤?能扛得住3000℃的⾼温?

作者: 王振

来源: 科学⼤院

发布日期: 2023-01-06 07:00:31

本文探讨了在极端高温环境下,如何通过超高温陶瓷材料保护航天器正常运转的问题。文章详细介绍了高超音速飞行器在飞行过程中产生的高温现象,以及现有的热防护技术,如激波防热、烧蚀防热和可重复使用热防护系统。此外,文章还展望了未来超高温陶瓷材料的研究方向,强调了其在航天航空领域的重要性和潜在影响。

在尾部⾼压燃剂的助⼒下,载着⼈类的期许,⽕箭挣开⼤地的束缚,奔向浩瀚的宇宙。众所周知,⽕箭和航天器在超⾼速⻜⾏的过程中,与⼤⽓摩擦产⽣⼤量的热,那么如此极端温度下是谁保证了航天⻜⾏器的正常运转呢?

随着航空航天技术迅猛发展和实现空天⼀体化的迫切需要,近年来,⾼超⾳速⻜⾏器成为了多国航空航天部⻔发展的重点领域。所谓⾼超⾳速⻜⾏意味着其⻜⾏速度等于或⼤于5倍⾳速,即⾄少每⼩时6120公⾥,以此速度,约2⼩时便可从北京⻜到伦敦。但在稠密⼤⽓中以每秒差不多1.7公⾥的惊⼈速度⻜⾏,会和空⽓剧烈摩擦,产⽣⼤量的热量,导致航天器表⾯温度达到2000℃以上。

2000℃是什么概念呢?就是铁、钢、铜、⾦、铝等材质的材料,都将会直接熔化。但是航天器⾥⾯是有航天员的,例如神⾈⼗⼆号载⼈⻜船返回舱载着三名航天员返回地球,返回舱与⼤⽓层剧烈摩擦形成⼀个⼤⽕球,表⾯温度峰值达到1650℃,⽽内部温度不能超过30℃,但难熔⾦属材料密度⾼、加⼯性能和抗氧化性差,不适合作为⾼超⾳速⻜⾏器的热防护材料。

根据超⾳速空⽓动⼒学,⻜⾏器在以⾼超⾳速⻜⾏时,空⽓的粘性作⽤致使⻜⾏器表⾯产⽣强烈的⽓动热,能使附着⽓体产⽣分解和电离,形成复杂的混合⽓体,⻜⾏器前缘驻点温度将⾼达2000℃以上,⻜⾏器⾃身周围也包裹在1000℃以上的⾼温环境中。

例如中国⽕箭“胖五”托举⽕星探测器需要加速到每秒11.2千⽶以上的速度。但如此⾼速⻜⾏,前提是⻜⾏器的关键结构部件能够承受住剧烈的空⽓摩擦和⾼达2000-3000℃的热⽓流冲击⽽不被破坏。另外,单体内部的各个电⼦组件,⾃身发热的同时⼜不便于散热,如何防⽌它们⾃燃或者熔化,也是⼀个问题,这就需要⼀种⾼效的热防护材料,⽽新发现的超⾼温陶瓷涂层及其复合材料可为上述部件提供较好的保护。

航天器热防护的主要途径有两种:⼀是减少来流的⽓动加热;⼆是设法吸收或耗散这种热量。按照这两种途径,科学家研制出的热防护技术主要有以下⼏种:激波防热及热沉防热、烧蚀防热、可重复使⽤热防护系统。

超⾼温陶瓷(UHTCs)通常指熔点超过3000℃,并在极端环境中保持稳定的物理和化学性质的⼀类特殊陶瓷材料,通常包括过渡⾦属硼化物、碳化物、氮化物及其复合材料。⾼熔点、⾼硬度、低密度。

航天器所使⽤的隔热材料需要在⾼温下保持原有强度与刚度;受较⼤热应⼒不变形;耐热疲劳特性优秀;此外其密度必须⾮常⼩且易加⼯。相⽐于其他材料,超⾼温陶瓷有着较⾼的熔点和硬度,例如⾼熔点过渡⾦属化合物中,TaC、ZrB2、HfB2、HfC等的熔点超过了3000℃,从⽽使得它们在极端⾼温条件下依然能够保证航天器的正常⻜⾏。

未来科学家将通过微结构的设计和控制实现超⾼温陶瓷材料损伤容限和可靠性的⼤幅度提⾼,为超⾼温陶瓷材料的应⽤奠定基础。在诸多超⾼温陶瓷复合材料强韧化⽅法中,碳纤维增强增韧、纤维增强体结构与性能退化的抑制及多尺度增韧将是超⾼温陶瓷复合材料未来强韧化的主要研究⽅向。

随着中国国防能⼒的不断提⾼,新⼀代载⼈⻜船和新⼀代⼤推⼒⽕箭都已在研制过程中,同时还需要性能更加优秀的材料等待着我们,中国航天要“⾛得⽐梦还远”。

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