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高溫熱防護技術(shù)

發(fā)布時間：

2022-02-21

1996年美國政府制定了ARRMD和Hyper-X計劃[89-94]，著重研發(fā)高超音速飛行器，驗證機機型為X-43，包括X-43A，X-43B，X-43C和X-43D型號。其中X-43A飛行速度最高達到9.8Ma，其主體結(jié)構(gòu)為鋼梁，鋼和鋁合金蒙皮、后隔板。其中后隔板由鈦合金來滿足熱防護性能要求。

　　1996年美國政府制定了ARRMD和Hyper-X計劃^[89-94]，著重研發(fā)高超音速飛行器，驗證機機型為X-43，包括X-43A，X-43B，X-43C和X-43D型號。其中X-43A飛行速度最高達到9.8Ma，其主體結(jié)構(gòu)為鋼梁，鋼和鋁合金蒙皮、后隔板。其中后隔板由鈦合金來滿足熱防護性能要求。飛行器上下表面采用1.3cm氧化鋁增強熱障陶瓷進行熱防護，外表面含纖維增韌涂層。熱流密度較大的機翼前緣部分采用C/C復(fù)合材料，表面覆蓋一層SiC材料。機身前緣采用被動熱防護方案，表面包裹一層C/C復(fù)合材料，最高能承受1649℃，其表面覆蓋一層SiC涂層。圖36為X-43高超速飛行器示意圖。

圖36 X-43高超速飛行器示意圖

　　1999年美國NASA開始X-37項目，由波音公司研制的X-37B試驗機，其飛行速度可達到20Ma，在軌時間長達270天。該機型采用單片增韌抗氧化復(fù)合結(jié)構(gòu)(TUFROC)，最高承受溫度可達1700℃，密度僅為增強C/C的四分之一^[95-98]，圖37為X-37B圖。

圖37 X-37B圖

　　2011年美國海軍、波音公司和惠普公司共同開發(fā)“高超聲速飛行技術(shù)演示計劃(HYFLY)”^{[99, 100]}。該計劃驗證機飛行速度最高可達到6.5Ma，整體采用鈦合金，從2005年到2008年先后進行了4次飛行試驗，均告失敗。圖38為HYFLY驗證機示意圖。

圖38 HYFLY驗證機示意圖

　　2003年美國開始FALON計劃^[101-104]，目標研發(fā)速度可達20倍音速的飛行器。其中驗證機型X-51A計劃目標是開發(fā)Ma為5~7的可以在1h內(nèi)對全球進行打擊的飛行器。2009年和2011年兩次試驗均告失敗，2012年第三次試驗速度達到5倍聲速，飛行約230海里。圖39為X-51A示意圖。

圖39 X-51A示意圖

　　俄羅斯也在大力發(fā)展高超聲速飛行器技術(shù)，1991年實施“冷”計劃，驗證機型SA-5“甘蒙”導(dǎo)彈，最高飛行速度可達到6.5倍音速，圖40為驗證機型布局結(jié)構(gòu)圖。除此之外，俄羅斯還開發(fā)了“彩虹-D2”和“鷹-31”驗證機型，其最高飛行速度可達到6.5Ma和5.5Ma。上述計劃飛行器技術(shù)均處于世界先進水平^{[105, 106]}。

圖40 SA-5甘蒙導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)圖

圖41 針對不同溫度范圍和運行時間的熱管理方法

　　對于不同類型的航空飛行器應(yīng)采用不同的熱管理策略，圖41是針對溫度和時間分類的航空飛行器。例如X-15采用熱沉方法，因為該飛行器飛行時間短且溫度適中。SR71由于飛行時間更長，溫度適中，所以使用高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計。

　　圖42為航天飛機表面溫度分布圖，采用了傳統(tǒng)的鋁蒙皮結(jié)構(gòu)，由于要在350℉條件下反復(fù)使用，應(yīng)用防熱瓦作為隔熱材料在迎風(fēng)面，背風(fēng)面用隔熱毯。飛機前緣采用碳碳材料。

圖42 航天飛機表面溫度分布

參考文獻：

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