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酚醛树脂材料在飞船、导弹等高速飞行器上的应用

酚醛板     来源:福建天利    查看次数:3226    发表时间:2018-12-12 08:58:18

现代防热材料的出现和现代飞行器总体设计优化的进步让飞船、导弹、高超声速飞行器防热系统与再入大气的气动加热对抗成为可能,也就终于使得人类的飞行高度和飞行速度进一步扩大。



飞船再入大气时,其飞行速度由7.8千米/秒降到几十米每秒,飞行高度由400千米降到数千米,巨大的动能和重力势能几乎全部要靠内能来耗散。由此产生的热量是惊人的。飞船、小型空天飞行器再入的最高温度在1500℃以上,有时温度甚至高达1865℃、航天飞机再入时的最高温度达1650℃。



为了防止飞船融化,人类工程师从结构和材料两个方向来进行攻关。上图为上世纪50年代,人们对于尖头和钝头飞行器在高速气流中的风洞研究成果。



说起飞船的再入防热,不得不提的就是艾伦博士这个人。他首次提出了钝头再入体的概念。以往,人们认为越尖的物体越能“披荆斩棘”,撕开激波。而艾伦通过计算,指出:在正激波之后,气流不能快速扩散,成了一个阻碍热量继续传导的垫子,起到了防护飞船的作用,反而更加利于再入飞行器的热防护。上图为1957年12月31日,艾伦博士向其他工程师讲述钝头再入原理的场景。注意黑板上的公式:再入飞行器的热流与其阻力系数成反比,阻力系数越大,热流越小。



这是阿波罗登月飞船的指令舱图纸,可以看到钝钝的飞船底部形状。


进入地球大气层的流星也给工程师一定的启发,甚至这个启发要比艾伦博士的发现还要早。上图为切割和抛光的一片埃斯克尔陨石,黄绿色的橄榄石晶体被包裹在铁镍基体内,是颗石铁陨石的橄榄陨铁。


从戈达德博士(液体火箭之父)在1920年的一篇手记中发现了这样一段话,上图红圈中:“


In the case of meteors, which enter the atmosphere with speeds as high as 30 miles per second, the interior of the meteors remains cold, and the erosion is due, to a large extent, to chipping or cracking of the suddenly heated surface. For this reason, if the outer surface of the apparatus were to consist of layers of a very infusible hard substance with layers of a poor heat conductor between, the surface would not be eroded to any considerable extent.


译:“流星体进入大气层的速度达到了每秒30英里(48.28公里),而其内部则依然是冷的。热流对流星体内部的侵蚀通常要归咎于受热表面的突然碎裂。因此,如果某些设备拥有坚硬且不易融化的外壳,同时还有一个导热系数很低的中间层的话,就能够经受住考验而不被热流侵蚀掉。”


这个理念在后来的飞船上以防热瓦、防护层的形式体现了出来。不过,在那种“坚硬且不易融化”的外壳出现之前,很长一段时间内,飞船用一些在融化过程中能够大量带走热量的烧蚀材料来作为外壳,起到了异曲同工的效果。



双子座2号飞船防热大底近照。



水星、双子座、阿波罗飞船都采用了针对性的防热措施。其中,阿波罗飞船的再入攻角控制在-27.1°到-28.9°之间,保持了一个0.3683左右的升阻比,这对飞船的热环境的改善是用很大帮助的。



在材料方面,阿波罗飞船使用了名为AVCOAT的材料。(具体说为AVCOAT 5026-39)。这是一种酚醛环氧树脂低密度烧蚀材料。实际上,在美国未来的载人飞船猎户座上,AVCOAT材料依然挑起了热防护的大梁。飞船外层为酚醛环氧树脂低密度烧蚀材料,中层为不锈钢蜂窝夹层隔热层。这种设计很经典。



这是猎户座飞船的防热大底(或者按照直译,将其称为:热盾)。



苏联对烧蚀材料的研究走了另外的路线:他们更喜欢用石棉。早期的联盟飞船的防热大底和侧壁上,大量应用了玻璃纤维-石棉结构,后来加入了酚醛树脂/聚四氟乙烯材料。上图为刚刚返回地面的联盟TMA-13飞船返回舱,注意其烧蚀情况。


说了美国和苏联/俄罗斯的飞船防热设计,那中国的呢?



中国的神舟飞船是中国迄今为止唯一一款载人飞船。虽然外形看起来和苏联联盟飞船很相似,不过实际上,神舟飞船的热防护材料还是比较先进的。上图为神舟1号返回舱实物近照,邢强拍摄。



神舟1飞船的侧壁特写,邢强拍摄。神舟飞船的侧壁烧蚀材料由酚醛微球空心材料、玻璃微球空心材料和玻璃纤维增强材料组成。这些材料以特定的配比填充到玻璃钢蜂窝结构中,共同构成了飞船的烧蚀侧壁。


多种微球在基材中分布,共同构成了神舟飞船的烧蚀层。这个有点像粽子,糯米相当于基材,红豆、红枣相当于玻璃、酚醛微球。邢强摄于2017年5月17日。


实际上,神舟飞船的防热设计还有更多有趣的细节。联盟飞船、阿波罗飞船时代,飞船防热系统的安全系数给得太高,有些偏保守了。而到了现代,通过计算和优化,完全可以做出更轻的烧蚀层,同时还能保证宇航员的安全。神舟飞船的烧蚀层的优化精细到了什么程度呢?


答:又管用又轻,而且“迎风面”和“背风面”用了不同配比的材料。(感觉像是在给神舟飞船做广告。)


为了给大家一个直观印象,只展示神舟1号飞船是不够的,再把神舟11号飞船的返回舱的近照放上来。上图拍摄的神舟11号飞船返回舱的“迎风面”。


详细来说,苏联联盟飞船的热防护的安全余量最大,但是也最重,其比重为1.58,是比水还要沉的。阿波罗飞船放宽了一些安全余量,用了轻质材料,其比重为0.55。(联盟飞船的热防护层的密度是阿波罗飞船的2.87倍。)而神舟飞船是这样做的:在防热大底和飞船侧壁的“迎风面”,用比较耐热且密度较大的材料(比重为0.711),在不是那么烫的“背风面”,用密度较小的材料(比重为0.54)。


大胆采用轻质材料让神舟飞船的载荷比优于联盟飞船。仅从防热材料来看,即使是迎风面的厚实材料,其比重也只是联盟飞船的45%,在轻质的背风面,其比重更仅仅是联盟飞船的34.8%。上图为小火箭拍摄的神舟11号飞船返回舱的背风面。其凹陷和裂纹展示了这种轻质材料的酥软一面,不过不用担心,里面的舱壁还是蛮结实的。仔细比对上图和上上图,觉得大家已经能够看出两种采用不同配方的材料的区别了。


这是飞船防热大底在实验室中进行测试的场景。


酚醛树脂在神舟飞船上的应用

神舟飞船是中国自行研制的第一种载人航天器,由轨道舱、返回舱、推进舱和附加段组成。轨道舱是航天员生活和工作的地方,也被称为“多功能厅”,因为航天员除了升空和返回时要进入返回舱外,其他时间都在轨道舱里。返回舱是飞船的指挥控制中心,航天员乘坐其上天和返回地面。推进舱也称动力舱,为飞船在轨飞行和返回地面提供能源和动力。附加段用于安装专用的空间科学和技术试验设备,以及作为交会对接机构的安装部位。神舟号飞船还具有“留轨利用”能力。在返回舱返回后,轨道舱在地面控制下,继续在轨道上运行,像卫星一样工作,继续进行空间应用和空间科学实验。


太空飞船由于轻质、高强、隔热、保温等特殊的要求,在结构上一直采用了轻质高强的蜂窝结构材料,尤其对于返回舱的隔热保温要求更高,当其以每秒7.5公里的速度返回地球时,其表面温度会达到摄氏七八千度,所以在返回阶段,飞船的防热设计非常重要,如果此时防热出了问题,飞船必然烧毁无疑。

航天器防热结构设计的任务就是要设计出一种能经受这类高温环境而不至于在大气层中发生过热和烧毁的结构。用句通俗的话说就是给航天器穿上防热衣。当然这种防热衣是双向的,既要能防热又要能散热。


防热结构及防热材料至今已经历了几代航天器的发展。最原始的防热方法是简单地在航天器的外表蒙上厚厚的铜或铜合金。原理是通过材料本身的热容来吸热;再后来防热用上了利用材料的热解、熔化、蒸发等方式散热的烧蚀材料,包括石棉或玻璃等与一种叫酚醛的物质组成的无机复合材料。这种方法就是目前包括神舟飞船在内的众多飞船所普遍采用的方法。不过早期的卫星、飞船大多数就简单地沿用导弹弹头的防热技术,在防热材料的选择上存在失误,防热材料密度过大、结构过于笨重,因而,长期以来,防热材料的密度和重量成为影响防热结构效果的瓶颈。防热材料是从几十种材料中筛选出来的,由于飞船重量的限制,防热材料要求是低密度的烧蚀材料。为进一步将重量降下来,在材料的使用上采用了蜂窝结构的设计,材料的这种既有密度又有疏松的“铺装”设计,保证了神舟飞船穿上的是轻薄的防热衣。

上图是神州九号返回舱,其外部表面可见密密麻麻的蜂窝状结构,是由轻金属材料制成的蜂窝结构,并填充特殊的隔热材料,下图是这种蜂窝结构的放大图。


酚醛空心微球是由酚醛树脂经过一系列的深加工完成,具有粒径小、密度低、热导率低、热稳定性优异等特点,具有良好的隔热性能和优良的烧蚀性能。含有酚醛空心微球的飞船返回舱烧蚀防热材料可承受上千度高温,能有效隔绝返回舱与大气层剧烈摩擦后产生的巨大热量,阻止热量进入返回舱内部,从而保证宇航员的安全和设备仪器的正常运转。


然后,咱们再聊一聊导弹吧(愿世界和平,但导弹上凝结的技术还是很值得说一说的)。


导弹弹头的热防护,从上世纪50年代研制的宇宙神导弹,也就是美国最早的洲际弹道导弹宇宙神开始聊吧。


一开始,美国工程师提出了酚醛烧蚀头锥这一先进的技术方案。但是,其技术成熟性尚未达到列装要求。因此,康维尔公司在交付宇宙神弹道导弹的时候,依然采用铜合金热沉式头锥。头部锥角105°的钝头上镀了一层厚厚的铜。


但是,那种热沉头锥的缺点太多了:再入速度慢、重量大。最要命的是,各大国都已经在着手发展导弹预警雷达技术。铜合金弹头再入大气时拖出来的长长的电离尾巴,在雷达屏幕中看起来简直就像是夜空中一根手电筒光柱那么显眼。


后来,通用电气公司终于攻克了烧蚀头锥的技术难关,于是就有了上图那样的宇宙神导弹头锥。该头锥长3.05米,头锥角为60°。有关宇宙神弹道导弹,


大力神1号导弹,全长31米,最大直径3.05米,发射重量105.14吨。


这枚展示弹做得很细致,连W38核弹头的样子也做出来了。大力神1号导弹的再入飞行器,利用裙段来增强再入稳定性。


里面的W38核弹头长2米,直径81厘米,重1397.06千克,爆炸当量为375万吨TNT。后续的改进型有更大威力的弹头。


大力神1号导弹的头锥。注意,其顶部采用金属蜂窝陶瓷和酚醛树脂浸渍二氧化硅制成的防热结构。


大力神2号洲际弹道导弹搭载了一枚当量为900万吨TNT的氢弹。


这种氢弹试爆的场景。摄于1958年6月28日。



大力神2号导弹的弹头,为烧蚀式,外面有一层增强型环氧树脂材料。


飞行器再入大气和高超声速飞行器在飞行过程中的热流是获取高度和速度所必须付出的代价。

或许人生就是这样,压力和困难无时无刻不在阻止着我们向梦想迈进。不妨向再入大气的飞行器学习吧,与其在煎熬中等待困难时期过去,不如顶住压力翩翩起舞,在空中划出属于自己的美丽曲线,将一切不如意化作一缕缕飞舞的流线,将它们远远地抛在脑后。与君共勉之!

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