防熱屏

防熱屏（Heat shield），即太空梭的防熱系統，用於保護太空梭返航時與大氣摩擦所產生的高溫(1650℃或3000°F)。防熱屏還有一個功能，就是幫助機艙在極端冷熱交替的太空中保持恆溫，也就是說，防止機艙的熱散溢到太空中，也防止高溫從艙外傳入。防熱屏覆蓋整架太空梭，因各部位的隔熱需求使用數種不同材料。材料特性通常是熱導率K值較低的材質，降低熱傳導效率而達到隔熱效果。

基本介紹

• 中文名：防熱屏
• 外文名：Heat shield
• 作用：保護太空梭表面所產生的高溫
• 材料：熱導率K值較低的材質
• 一級學科：航天科技
• 二級學科：太空飛行器

研究背景

太空梭的一個重要發展趨勢是力求低成本、常規和低軌遠程飛行。從1969年至1973年，在設計研製太空梭的同時，曾對某些防熱屏系統進行了評定。當時，考慮了金屬防熱屏、燒蝕材料、快速冷卻系統和氧化矽陶瓷防熱系統。

以前的再人飛行器(包括阿波羅飛船)所用的燒蝕材料，都能在再入條件下防護太空梭，但它們不能重複使用。快速冷卻系統太複雜，又太重。金屬防熱屏系統在再入臨界溫度(1260℃)時，預計需要特殊塗層才能適應如此苛刻的環境，而且它比氧化矽陶瓷防熱屏系統重得多。實驗證明，氧化矽陶瓷防熱屏（瓦）能經受100次再人環境並能經受發射時的強噪音(165分貝)，是唯一能滿足太空梭飛行100次而不需要大修的材料。可重複使用表面絕熱材料的研製成功，是太空飛行器常規套用的一項重大成就。

太空梭飛行環境分析

太空梭必須起到太空飛行器和航空器的雙重作用。太空梭再入時，其下部機身經受1260℃的高溫，沿著翼前緣和鼻錐的溫度超過1482℃。大約在40720米的高空，其飛行速度為聲速的八倍左右，這時經受著最高的溫度。下降到15240米時，就進入水平飛行航程並用氣動的方法操縱，象滑翔機一樣著陸。其典型飛行路線如圖1所示。

圖1

太空梭再入環境是防熱屏系統設計的重要因素，設計的依據是各部位對防熱屏絕熱的要求，按照要求來選擇防熱材料和隔熱結構。

太空梭的溫度分布可分為四個區域，如圖2所示。區域 I 的正常表面溫度為371一538℃。區域 II 為538一871℃，區域III為871一1093℃。區域IV為1093一1482℃。

區域 I 位於外弦機翼表面的上部，再入表面溫度接近於538℃，套用低溫可重複使用絕熱瓦(LRSI)。區域 I 的界面，包括低溫範圍在內(371℃)，採用柔性可重複使用的絕熱材料(FRSI)。

圖2

區域 II 位於機身後段的下表面，恰好是襟翼的前方，再入表面溫度約871℃，採用高溫可重複使用的絕熱瓦(HRSI)。

區域 III 包括太空梭下表面的大部分面積，再入表面溫度高於871℃，其附近的表面溫度，高於982℃，均採用HRSI。

區域 IV 靠近鼻錐，是下表面到側壁的過渡部位，在機身尖形部位經受著嚴酷的高溫，再入表面溫度接近1288℃，仍採用HRSI。

防熱屏系統設計要求

設計防熱屏系統的目的，是為了改善底層結構在上升、人軌、再入、機動和著陸階段的熱環境。

為了儘量減輕太空梭的重最，必須採用最有效的結構材料和先進的加工工藝，由重量和成本兩因素決定了航夭飛機的主要結構材料必須採用鋁合金。許多部位，如貨艙門和軌道機動次結構(OMS)吊艙，為了減輕結構重量，採用石墨-環氧。鋁和石墨的使用溫度容限為176.7℃。正常飛行時，防熱屏必須能反覆使用100次。每次飛行之後，需要整修的工作量一定要小，必須保證在160小時以內檢修完畢，供下一次飛行時使用。

防熱屏不僅必須使底層結構的溫度保持在176.7℃以下，而且一定要能適應由於熱氣動載荷和結構載荷所產生的應力和應變。

最後，防熱屏設計應當儘量避免由於下雨或潮濕環境可能出現的種種故障，還要考慮到發射期間外貯箱上冰層破裂的碎塊和著陸時起落架輪子捲起的砂石都有可能使防熱瓦掉落或砸碎的外界因索。

防熱屏系統結構的選擇

二十多年來，宇航工業研究的防熱屏系統種類繁多，其中包括燒蝕材料、熱輻射金屬結構、陶瓷絕熱材料、散熱裝置和運輸冷卻系統等。

燒蝕材料已廣泛用於飛彈彈頭、火箭發動機噴管的襯套及用作“水星”、“雙子星座”和“阿波羅”飛船的主要防熱材料。雖然燒蝕材料已被廣泛的套用，但它有兩個致命的缺點：

(1)經過再人環境的燒蝕材料不能保持空氣動力要求的表面外形，且達不到重複使用100次及每次飛行後在160小時內檢修完畢的設計要求。

(2)燒蝕材料的密度比較高，如“阿波羅”飛船上所用燒蝕材料的密度，幾乎是當前太空梭上使用的陶瓷絕熱材料的四倍。

多年來，航天飛行器還採用熱輻射結構。“水星”和“雙子星座”航天飛行器採用由Rene 41製成的瓦片組合成熱輻射式金屬結構，使側壁能經受約927℃的再入溫度。火箭發動機噴管，如“阿波羅”飛船的發動機採用鈮合金噴管，用於1316℃的高溫。儘管蘭利研究中心對鈮合金防熱屏系統在太空梭上的套用作了大量研究工作，但防熱屏的主要部分採用熱輻射金屬結構有以下幾個缺點：

(1)結構重；

圖3

(2)金屬表面的塗層脆而易碎，塗層的局部損壞會導致高溫快速氧化而變脆，因而耐高溫的能力有限；

(3)最大的缺點是設計和製造複雜。

試驗結果表明，沒有一種單一的材料能有效地滿足太空梭防熱系統的設計要求。選擇結果，太空梭採用幾種絕熱結構同時並用的防熱屏系統，各部位所採用的絕熱方式如圖3所示。燒蝕材料只用在升降副翼之間很小的區域，該區域溫度高達1649℃以上，選用的燒蝕材料與“阿波羅”飛船上套用的相同。發動機系統(約871℃)採用Inconel 625熱輻射金屬板絕熱結構，該材料還用作升降舵門及升降副翼的密封板(約760℃)。