美国X系列空天飞行器热防护系统分析

宇航迷

　　1、X系列空天飞行器分析

　　随着现代航天技术的发展，继陆、海、空之后，太空以其得天独厚的地理优势及其在政治、经济、军事、外交等方面具有的极其重要的价值，已经被世界军事大国视为维护国家安全和利益的战略制高点。夺取制天权，已成为世界航天大国共同的战略目标。

　　英文字母X 是“Experimental”的缩写，即“试验的”的意思。在飞机设计领域，往往充满了各种未知的技术障碍与难题。尽管随着计算机模拟技术的高速发展和风洞的使用可以构建出理想状态下的飞行模型，但是模型与实际情况还是有所差距。所以必须研制出专门用途的试验机去探索那些未知领域，在这样的背景下，美国的代号X为的系列飞机出现了。

　　X-43A

　　1994年11月，美国政府取消了NASA耗资庞大的国家空天飞机(NASP)项目，X-30试验机也随即下马。为了顺应“更好、更快、更廉价”的航空航天战略，美国高超音速试验计划(Hyper-X)计划应运而生，其中X-43就是其研究核心。

　　X-43A高超声速飞行器

　　X-43A是NASA Hyper2X 试验计划中的一部分, 用来验证超燃冲压发动机作为高超声速飞行器动力的可行性。2002年, 该计划纳入下一代发射技术(NCLT)计划中。2006年之后, 随着NASA高超声速飞行器的发展战略的调整, 研究工作开始转向基础技术, 不再进行飞行试验。2001-2004年之间，X-43A共进行了三次飞行试验，第一次飞行试验以失败告终，第二次实现了Ma = 7飞行, 第三次X-43A创造了Ma = 9. 8的纪录。

　　X-51A

　　X-51A计划是由美国空军研究试验室(AFRL)、国防高级研究计划局(DARPA)、NASA、波音公司和普惠公司联合实施的旨在验证高超声速飞行能力的计划。终极目标是发展一种马赫数达到5～7的可以在1h内进行全球打击的武器, 包括快速响应的空间飞行器和高超声速巡航导弹。

　　X-51A飞行器

　　试验方式是使用B-52H轰炸机挂载X-51A飞行, 达到预定的飞行条件, 释放X-51A进行飞行试验。下图是挂载在B-52H机翼下的X-51A。美国空军在2003年开始研制试飞器, 2004年12月完成初始设计评估，2005年1月开始详细设计, 2005年9月27日被正式赋予X-51A的代号，2007年5月该项目通过关键设计评审。2009年12月9日在加利福尼亚州爱德华兹空军基地进行了首次系留挂载飞行试验, X-51A挂载在B-52H重型轰炸机的机翼下向北起飞后爬升至15.24 km高空, 随后该机携载X-51A做了较柔和的机动动作。按计划，X-51A于2010年2月中旬进行了首次高超声速飞行试验。

　　挂载X-51A的B-52H轰炸机

　　X-37B

　　以X-37B为代表的空天飞行器是21世纪空间攻防对抗、全面夺取制天权的必不可缺的关键武器装备。热防护系统是空天飞行器最为关键的子系统之一，热防护技术是制约空天飞行器最终服役能力的关键技术。空天飞行器的“全球快速精确打击目标”、“高机动性”以及“高可靠性和低成本”等要求对传统的热防护技术提出了严峻的挑战。防热问题成为空天飞行器设计中的关键制约因素和主要技术瓶颈。

　　2010 年发射成功的X-37B 是一种可以在地球近轨道、太空和大气层中飞行的、具有超强机动能力和快速响应能力的空天飞行器。它的发射成功引起全世界的高度关注。X-37B 的一项重要任务是验证新型的热防护系统，它的顺利返回与再次发射也预示着这种新型防热系统取得了巨大突破。

　　X-37B空天飞行器

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　　2、X系列热防护系统技术突破分析

　　可重复使用飞行器高速再入大气时，飞行器的表面会产生严重的气动加热，引起表面温度极高，高达几千摄氏度。飞行器的表面会发生氧化、相变等一系列化学反应，表面会出现不同程度的烧蚀，必须对再入飞行器采取防热措施。

　　随着人类认识的提高和航天技术的发展，空天飞行器的热防护系统由传统的以金属为主的金属热防护开始转向以非金属为主的陶瓷瓦热防护，热防护的方式也从传统的烧蚀热防护开始转向非烧蚀热防护。可重复使用的空天飞行器的高温区普遍采用了碳碳复合材料( C/C)。C /C复合材料具有耐高温、低密度、高强度、抗热震、耐腐蚀等一系列优异性能。与此同时，它也存在致命的弱点: C /C 复合材料在空气中极易发生氧化反应。

　　航天飞机上的热防护系统

　　航天飞机是世界上第一个部分可重复使用的空天飞行器，航天飞机首次采用了陶瓷热防护系统和材料，并获得了成功的飞行。它解决了当时金属防热瓦尚不能解决的质量、热膨胀、连接和密封等方面的种种矛盾，为航天飞机划时代的腾空建立了不可磨灭的功绩。 但是陶瓷瓦具有脆性大，抗损伤能力差，维护成本高，更换周期长等问题，热防护一直是美国航天飞机可重复使用的瓶颈问题。航天飞机的2次灾难性事故都与热防护直接相关。2011 年7月21 日，“亚特兰蒂斯”号成功返航，按照美国航天规划，航天飞机至此全部退役。高昂的成本和安全隐患，使航天飞机终成人类航天征途上的苦涩插曲。

　　2010 年发射的X-37B 突破了传统的热防护设计，采用了新型的轻质非烧蚀的增韧单体纤维抗氧化复合结构，在飞行器的可重复性方面获得了成功。X-37B 的成功返回与再次发射说明其所使用的新型热防护系统———单片增韧抗氧化复合结构(TUFROC)已经成熟。TUFROC是美国NASA Ames中心研制的轻质耐高温材料。Ames 中心是一家把材料同气动环境结合起来的高超热防护研究单位。

　　X-37B的热防护系统

　　这种新型陶瓷复合结构不但能承受再入时产生的高温，还解决了陶瓷瓦在高温环境下的热裂和抗氧化等瓶颈问题，并且可以重复利用。上图给出了目前空天飞行器高温区所采用热防护结构材料的对比。从图中可以看出，TUFROC的密度只是增强C /C 材料( RCC) 的1 /4，成本降为RCC 的1 /10，并且制造周期缩为RCC 的1 /6 ～ 1 /3。

　　先进的TURFOC技术

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　　3、新型热防护系统技术路线分析

　　随着非烧蚀热防护研究的不断深入，人们逐渐意识到单从材料抗氧化及高熔点角度出发，找到一种能在任何再入飞行条件下都能实现非烧蚀的单一材料几乎是不可能的。非烧蚀的实现与飞行器的再入热走廊密切相关，非烧蚀热防护的研究重心已经从单纯超高温材料设计转为结合飞行热环境、深化机理认识并重视预防隔热一体化设计的新阶段。

　　针对X-37B飞行器的鼻锥及翼前缘防热要求，NASA Ames研究中心提出了热防护结构的新概念。这个新概念摈弃了防热与隔热各自独立的传统设计思想，实现了外层非烧蚀与内层低密度梯度化设计，成功解决了外层防热与内部隔热基体结构之间的热匹配性问题，并且通过了地面风洞模拟试验验证和飞行试验验证。

　　防隔热一体化设计

　　与传统的防热-隔热分开的设计方法不同，TUFROC 创新性地使用了防热-隔热一体的设计方法，实现了抗氧化烧蚀外层与高韧性隔热基体的一体化连接。采用机械连接方式将具有优良抗氧化烧蚀性能的外层与具有良好抗冲击载荷性能的隔热基体有效组合，并统一进行涂层处理。克服了单纯抗氧化外层的脆性，提高了热防护部件的抗热震性能，保障了热防护系统的安全性，优良的隔热性能简化了机身的隔热结构设计，实现了功能、防热、隔热一体化、模块化的设计思想。

　　如下图所示，TUFROC 由2部分构成: 外层为含碳陶瓷复合材料的( ROCCI)盖帽和内部隔热层。ROCCI 是一种表面完全致密的高密度的含碳陶瓷复合材料，用作外层以实现非烧蚀;内层为含纤维的多孔低密度隔热层以降低整体热结构的密度。

　　TUFROC结构

　　梯度化设计

　　X-37B 空天飞行器再入时，飞行器内外层产生的巨大温差对其热防护系统提出了梯度化设计的要求，以缓解短距离的巨大应力引起的热裂问题。表面完全致密化，同时具有较低的催化效率和较高的导热系数和辐射系数，对于实现热防护结构表面的抗氧化非烧蚀特性及降低表面层温度梯度非常有利。致密高导热表面层在抵挡住热流后，实现内部材料的高效隔热是非烧蚀热防护系统另一重要要求。高效隔热由材料的多孔疏松结构来完成。多孔层还可以吸收或缓释致密表面层由于温度大幅升高造成的热应变，保持整个热防护系统的高温维形能力。因此，形成由完全致密结构向多孔疏松结构梯度过渡的非均质防热系统结构是实现非烧蚀特性的重要途径。利用这种独特的设计方法，不但实现了低密度与非烧蚀的有机结合，而且抗热震性能好，不易产生热裂效应。

　　梯度致密涂层

　　抗氧化

　　不用于传统表面处理，TUFROC 的表面处理采用功能化涂层(TaSi2-MoSi2-B2O3-SiO2)，实现了表面的低催化与高辐射特性，有效降低了进入材料的热流，很大程度上减轻了材料的烧蚀压力。内部及界面的连接空隙提供了活性氧的扩散通道，提高了材料反应界面的氧分压，使得材料在较宽的温度范围内保持被动氧化( 即生成固态氧化物) ，保持整体热防护部件在高温服役条件下的结构稳定性及保形能力。

　　试验验证

　　地面电弧风洞设备模拟空天飞行器飞行走廊的特征服役段，考核热防护系统的非烧蚀性、高效隔热性及安全可靠性。确定功能化热防护系统部件的可靠服役范围，初步完成具有较高成熟度的典型热防护部件制备。

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　4、X系列空天飞行器热防护系统给国内的启示

　　美国利用以X系列飞行器为代表的验证机，承担探索、验证各种先进技术的任务，经过这些有益的研究，积累了丰厚的航空航天技术储备，拉开了与世界其他国家在这一领域的差距。美国在航空航天领域能长期处于世界领先地位，不断抢占高科技的“制高点”，正是有了这些尖端科学技术的“开拓者”，才铸就了美国今天在航空航天研制领域的辉煌。

　　X-37B空天飞行器是21世纪世界航天大国霸占太空的关键武器装备，热防护技术是影响其生存能力的关键技术。X-37B空天飞行器的总体设计对传统的热防护系统提出了新的挑战。可重复使用、轻质化和非烧蚀是其热防护设计中的新技术。防隔热一体化设计、梯度化设计、抗氧化和试验验证是实施轻质非烧蚀的创新性途径。开展轻质非烧蚀热防护的基础研究，不但能为国内空天飞行器的热防护奠定理论基础，还可为国内正在研制的高超声速飞行器的高密度非烧蚀热防护提供理论和技术支撑。