重復(fù)運(yùn)載器金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的述評

1、2002年第2期總第256期導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)MISSILESSPACEVEHICLESNo.22002SumNo.256重復(fù)運(yùn)載器金屬熱防護(hù)系統(tǒng)的述評①夏德順(北京長征科技信息研究所北京100076)摘要金屬熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)是美國研制重復(fù)使用運(yùn)載器(RLV)的關(guān)鍵技術(shù)之一與航天飛機(jī)軌道器的陶瓷防熱瓦相比該系統(tǒng)具有絕熱有效重量輕方法簡單容易安裝和替換等特點(diǎn)。本文介紹了這種防熱系統(tǒng)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及測試方法。關(guān)鍵詞防熱結(jié)構(gòu)重復(fù)使用運(yùn)載器

2、金屬防熱瓦。ReviewofMetallicThermalProtectionSystemftheReusableLaunchVehicleXiaDeshun(BeijingLongMarchScientificTechnicalInformationInstituteBeijing100076)AbstractMetallicthermalprotectionsystem(TPS)isoneofthekeytechnologiesfo

3、rdevelopingreusablelaunchvehicle(RLV)intheU.S.Comparedwiththeceramictilesastate2of2the2artmetallicTPShasmoreefficientinternalinsulationlighterweightsimplestructurequick2releasefastnersystemforeasierinstallationremoval.Th

4、ispaperdescribestheacteristicsstructuretestmethodofthismetallicTPS.KeyWdsHeat2protectionconstructionReusablelaunchvehiclemetallictile.1熱防護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展與要求1.1熱防護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀美國第1代重復(fù)使用運(yùn)載器(RLV)為航天飛機(jī)軌道器其表面熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)的70%用了約30000塊可重復(fù)使用的陶瓷防

5、熱瓦該瓦尺寸為254mm508mm185mm和381mm381mm165mm兩種。軌道器機(jī)身下面的高溫防熱瓦為黑色軌道器機(jī)身上面的低溫防熱瓦為白色填充Nomex應(yīng)變隔離氈用室溫粘合劑將它們粘接在鋁合金蒙皮上以抵御機(jī)身上表面399～649C和下表面649～1260C高溫。軌道器再入飛行時(shí)90%的熱量由防熱瓦輻射回大氣層鋁合金蒙皮的溫度不超過177C。20年來雖然陶瓷防熱瓦滿足了航天飛機(jī)軌道器的性能要求圓滿完成了各種飛行任務(wù)但仍存在諸多問題

6、:a)在重復(fù)工作環(huán)境下TPS承受649～1627C高溫超過重復(fù)使用溫度限制其主要部位產(chǎn)生脆裂、邊緣脫落、過熱、發(fā)裂、涂層剝落等現(xiàn)象次要部位(間隙填充物、隔熱涂層等)損傷也很多b)防熱瓦吸收水分增加了重量影響周轉(zhuǎn)期成本增高減少了進(jìn)入軌道的有效載荷①收稿日期:2001201216夏德順:男61歲研究員主要從事材料工藝信息研究工作?19942008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Al

7、lrightsreserved.h60～70天金屬TPS只需要50人7天維護(hù)和檢修時(shí)間大大節(jié)省時(shí)間縮短飛行間隔周期維修時(shí)只需將面板四角螺釘擰下?lián)Q上新面板[4～7]。3金屬面板TPS3.1結(jié)構(gòu)單個(gè)金屬蜂窩面板防熱結(jié)構(gòu)形狀(304.8mm304.8mm)見圖2。其上表面由0.127mm厚的薄板與厚度0.038mm、網(wǎng)格邊長4.763mm、高度7.1mm的正六邊形蜂窩芯(Inconel617合金)釬焊成。其下表面由0.152mm厚的薄板與同樣

8、大小的蜂窩芯(Ti26Al24V合金)釬焊成。側(cè)邊是0.076mm厚的帶有波紋(寬7.62mm)的薄板(Inconel圖2高溫合金蜂窩TPS面板617合金)并上、下翻邊與上、下表面釬焊成盒。盒的里面用密度為0.1g?cm3的Cerrachrome和密度為0.056g?cm3的Q氈石英纖維防熱材料填滿起隔熱并保持熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的完整性。面板盒與面板盒安裝間距為5mm以彌補(bǔ)面板表面的熱膨脹。盒側(cè)面的波紋形成的間隙蓋阻止熱氣流在面板相接處流動面板

9、盒的下翻邊也阻止熱氣流到底部。面板盒上表面4角有4個(gè)固定孔供擰螺栓用孔管與上、下表面釬焊在一起。安裝面板盒之前用4.8mm厚的Nomex氈鋪成25.4mm厚的氈條再涂上RTV(室溫硫化粘接劑)貼在外蒙皮上將螺栓擰入Nomex氈上并使氈的厚度被壓到原來厚度的一半受壓的Nomex氈阻止熱氣流進(jìn)入里面減少聲載引起的振動還可以在固定螺栓處產(chǎn)生預(yù)拉力防止螺栓松動。在4個(gè)固定孔處再用帶螺紋的圓蓋蓋住螺栓最后用纖維絕熱材料填充所有間隙處減少熱傳遞構(gòu)成

10、金屬TPS。這種TPS能承受982～1093C高溫內(nèi)部防熱材料防止熱氣流進(jìn)入蒙皮結(jié)構(gòu)內(nèi)并構(gòu)成TPS結(jié)構(gòu)整體[8]。3.2改進(jìn)經(jīng)過改進(jìn)的面板盒是由上表面、側(cè)面和下表面構(gòu)成用電阻焊焊成。其上表面是由0.13mm厚的箔與厚度0.04mm、網(wǎng)格邊長4.7mm正六邊形蜂窩芯(Inconel617)釬焊成上表面?zhèn)让媸?.08mm厚的波紋邊擋板(Inconel617)下表面是0.076mm厚的Ti26Al24V薄板。盒內(nèi)填充Q氈石英纖維隔熱材料表面用

11、Pyromark2500TM熱噴涂保證均勻的熱輻射。面板與面板之間互相搭接在間隙處密封下表面面板與面板之間用密封條帶固定成45(見圖3)。金屬面板的固定方式極為精細(xì)MA754螺栓從4個(gè)角擰入面板下表面支撐盒中支撐盒由Rene41合金制成螺栓上面用隔熱塞塞圖3金屬TPS面板之間的密封住再用金屬蓋蓋住(見圖4)金屬盒面板由支撐盒的帶子固定到起加強(qiáng)機(jī)體的復(fù)合材料I型梁結(jié)構(gòu)上(見圖5)。金屬TPS承受空氣壓力載荷并起熱防護(hù)作用由于表面間隙處全部