X-37B空天飞行器轻质非烧蚀热防护新技术
X-37B空天飞行器轻质非烧蚀热防护新技术 鲁芹,姜贵庆,罗晓光,胡龙飞 (中国航天空气动力技术研究院,北京100074) 摘要:X-37B是世界上第一个具有可重复使用、高超声速飞行、高机动变轨及快速响应能力的空天 飞行器。热防护技术是制约空天飞行器最终服役能力的关键技术。X-37B突破了空天飞行器热防护技术 的瓶颈,成功的验证了新型的轻质非烧蚀热防护技术。回顾了空天飞行器热防护发展历程,分析了 X-37B 的“全球快速精确打击目标”的特殊功能对热防护系统的需求,提出了X-37B空天飞行器热防护系统的 新技术一可重复使用、轻质、非烧蚀,最后探索了X-37B热防护新技术的实施途径一防隔热一体化、梯 度化。 关键字:X-37B:轻质非烧蚀;防隔热一体化;梯度化 0.引言 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,己成为世界航天大国共同的战略目标。 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、在轨244天以及水平着陆的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得了巨 大突破。 1. X-37B空天飞行器 X-37B空天飞行器是一种可在各种弹道轨迹上飞行,用于执行范围广泛的空间控制任务的可重复使 用飞行器。它是一种可用于航天发射、操作、侦察和作战的多功能作战武器。它既保持了航空战斗机的 可重复的特性,又继承了空天飞行器能长时间在轨道上运行的优势。它是航空和航天器技术高度结合的 结晶。 X-37B是世界上最先进的空天飞行器,它的先进性体现在: 第一,反应速度更快,空中机动性更强,飞行速度是当今最先进的喷气战斗机和最先进导弹无法企 及的,可以达到最高的二十几马赫;第二,在轨时间长达244天,能长时间停留在打击目标上空的轨道 上,敌方反导系统根本无法及时进行预警,从而达到最有效的打击效果;第三,可用作全球打击和空间 激光反弹道导弹的平台,而且还可用作部署空间卫星和在全球范围内快速运送军事物资和人员的平台。 第四,在空中轨道上需要的燃料更少,却能做出更长时间的巡航,这是世界上其他任何一款式战机所不 能比拟的。第五,为开发更加高级的空天武器平台作准备。 2. X-37B空天飞行器中的热防护概况 2. 1可重复使用空天飞行器热防护概况及存在的问题 表1给出了美国空天飞行器热防护系统的发展历程「七从表1看出,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体的金属热防护开始转向以非金属为主体的陶瓷 瓦热防护,热防护类型也从烧蚀型热防护转向非烧蚀热防护。 表1世界航天大国空天飞行器的热防护方案 空天飞行器 年代 高温区 热防护类型 美国X-37B 2010 增韧单体纤维抗氧化复合结构(TUFORC) 非烧蚀 美国发现号航天飞机 2006 RCC热结构 烧蚀 美国X-33 C/C热结构 烧蚀 美国奋进号航天飞机 1994 RCC热结构 烧蚀 美国 X-30A(NASP) ACC发汗冷却 烧蚀 美国哥伦比亚号航天飞机 1981 RCC热结构 烧蚀 前苏联-暴风雪航天飞机 1988 C/C材料热结构 烧蚀 法国-Hermes SiC/SiC, C/SiC 或 C/C 烧蚀 英国-Hoto] ACC或C/SiC热结构 烧蚀 日本-HOPE RCC热结构 烧蚀 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重量、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。航天飞机的两次 灾难性事故都与热防护直接相关。航天飞机并没有达到预期的可重复使用目的。 2.2 X-37B热防护系统的新突破 X-37B的成功返回与再次发射说明其所使用的新型非烧蚀热防护系统-单片增韧抗氧化复合结构 (TUFROC)已经成熟。这种新型陶瓷复合结构不但能承受再入时产生的高温,而且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。表2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气 从表2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到1/3。与传统的烧蚀热防护不同,TUFROC采用了非烧蚀的轻质热防 护新技术。 表2空天飞行器高温区所采用的热防护材料 高温区材料 密度(g/cm3) 成本(K$) 制造周期(月) 最高温度(K) 热防护类型 TUFROC 0.4 50 2 2000 非烧蚀 RCC 1.6 500 6〜12 2300 烧蚀 C/SiC 1. 8~2. 05 6〜12 2100 (长时 1923 ) 烧蚀 SiC/SiC 2. 4~2. 9 6〜12 长时1723 烧蚀 3. X-37B空天飞行器的轻质非烧蚀热防护新技术 X-37B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 对热防护系统提出了可重复使用的具体要求:非烧蚀、轻质化。 3.1非烧蚀热防护技术 飞行器高速再入大气时,速度高达20多马赫,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。 对于一次性使用的再入飞行器,其防热问题比较容易解决,通常采用成熟的烧蚀热防护技术。烧蚀 式热防护是目前国内外各种飞行器应用最广的热防护形式oX-37B空天飞行器是一种可重复使用飞行器, 可重复使用概念是冯•布劳恩和钱学森在20世纪中期提出,其主要目的是降低航天器居高不下的成本。 X-37B空天飞行器的可重复性要求飞行器的外形保持不变,而烧蚀热防护技术难以满足飞行器的外形不 变的要求。因此,非烧蚀热防护技术成为X-37B空天飞行器必须解决的关键技术。 非烧蚀热防护,是指热防护系统在防热材料与高温气体相互作用下能够长时间保持物理和化学稳定 性。防热材料的表面不发生明显的氧