Al2O3纖維在空間充氣式氣動阻尼結構中的應用

曹 旭

（北京空間機電研究所 ,北京 100076）

1 引言

隨著航天技術和航天活動的不斷發(fā)展,再入著陸技術的作用和地位將越來越重要,因此,必須研發(fā)適合新形勢和新技術要求的、先進的回收技術。新型充氣式氣動阻尼結構（Inflatable Aerodynamic Decelerator Structures,IADS）是一種充氣的彈道式大氣再入飛行器,是一種在再入過程中,利用充氣形成的氣動外形提供升力或阻力,并由表面耐高溫的柔性防熱材料提供熱防護,最后由自身的充氣結構實現(xiàn)著陸緩沖從而安全到達地面的航天回收系統(tǒng)。IADS巧妙地將傳統(tǒng)返回飛行器的熱防護系統(tǒng)（Thermal Protection System,TPS）、降落傘減速裝置和著陸緩沖/漂浮系統(tǒng)集成為一體。圖1為俄羅斯充氣式再入和下降技術（Inflatable Re-entry and Descent Technology,IRDT）試驗飛行器的結構示意圖。

圖1 俄羅斯IRDT試驗飛行器的主要結構

IADS作為一種新型的航天回收技術,其優(yōu)點是:返回過程工作程序少,質(zhì)量輕,對有效載荷適應性強,外形設計靈活、容積利用率高,系統(tǒng)組成簡單。

近幾年,IADS得到了長足發(fā)展,美、俄等國在關鍵技術攻關方面取得了很大突破。IADS的關鍵技術涵蓋了多個學科,主要包括:1）輕質(zhì)柔性熱防護材料技術;2）充氣展開機構設計;3）折疊包裝技術。在上述技術中,最為關鍵的是柔性熱防護材料技術[1]。IADS的TPS采用柔性防熱材料,使再入式飛行器在氣動熱環(huán)境中免遭燒毀和過熱。盡管通過適當?shù)臍鈩油庑卧O計可使氣動加熱大為減小,但當再入速度足夠大時,熱量仍可以使IADS在著陸前燒毀。傳統(tǒng)再入式航天器的TPS一般使用剛性燒蝕性材料,而IADS必須采用柔性材料,對柔性防熱材料開展詳細研究具有非常重要的意義。Al2O3纖維具有較高的抗拉強度和優(yōu)異的耐高溫能力,在IADS中應用潛力巨大。本文結合TPS結構的特點和對柔性防熱材料的要求,詳細介紹了Al2O3纖維的性能,對其在IADS中的應用情況進行了論述,為研制柔性TPS提供參考。

2 充氣式氣動阻尼結構的熱防護系統(tǒng)

2.1 性能和特點

輕質(zhì)柔性防熱材料的設計是IADS的核心。IADS的TPS由若干層柔性編織防熱織物構成,其材料應具備輕質(zhì)、耐高溫、柔性和可折疊的特點[2]。在回收任務中,對材料的力學性能和熱性能都有較高的要求,材料應能承受較高的沖擊載荷和高達1 000℃的溫度。由于局部（如迎風的頭部）熱流密度較大,因此在局部還要采取特殊的防熱措施,進行防燒蝕處理。

IADS的TPS應滿足以下要求:1）質(zhì)量盡可能小;2）在1 000℃高溫下仍能保持材料的性能;3）柔性好,經(jīng)折疊后不發(fā)生破壞;4）阻氣性能好;5）在高溫下表面無燒蝕,出現(xiàn)剝落時應保持線性化整體剝落,表面無碳化。

2.2 結構組成

根據(jù)以上要求,TPS應采用多層防熱結構（Multi-Layer Insulator,MLI）,從外到內(nèi)依次為:防熱層、隔熱層、阻氣層。防熱層位于TPS的最外面,承受最高的溫度,主要用來阻隔熱流。防熱層多使用高強輕質(zhì)的柔性編織材料,如Al2O3纖維、碳纖維等。中間的隔熱層承受的溫度較防熱層低,主要用來防止熱量向TPS內(nèi)部傳遞,多使用碳纖維隔熱氈布、無定形SiO2隔熱氈布等。阻氣層用來防止氣體滲漏,保持充氣結構的形狀,多使用聚酰亞胺（Kapton）薄膜。防熱層和隔熱層應選用輕質(zhì)可折疊的柔性耐高溫材料。各層材料通過一定的連接工藝組合在一起,圖2為典型的柔性TPS結構。

圖2 柔性TPS的結構

3 Al2O3纖維在充氣式氣動阻尼結構中的應用分析

3.1 Al2O3纖維的性能

IADS外層溫度最高可達1 400K,防熱層材料首先要能承受如此高的溫度。Al2O3纖維因其具有的較高的抗拉強度和優(yōu)異的抗氧化性能,能制成各種高性能復合材料,在航空、航天領域（如火箭、飛船、飛機的防熱組件）具有廣泛的用途,是TPS防熱層的首選纖維。

Al2O3纖維是氧化物陶瓷纖維的一種,是目前研究和應用最為廣泛的氧化物陶瓷纖維,它以Al2O3為主要成分,還包括SiO2、B2O3等,具有高強度、高模量、超常的耐熱性和耐高溫氧化性、熱導率小、熱膨脹系數(shù)低、抗腐蝕等特點,主要用于高溫隔熱材料（短纖維）和增強復合材料（長纖維）,可編織成織物、無紡布、編織帶、繩索等各種形狀的纖維制品。

目前世界上可進行商業(yè)化生產(chǎn)的Al2O3纖維主要有DuPont的FP、PRD-166,3M的Nextel系列纖維,日本Sumitomo的Altel Al2O3等,其中3M公司生產(chǎn)的Nextel系列纖維年產(chǎn)量大,綜合性能優(yōu)異,生產(chǎn)工藝穩(wěn)定,可編織成織物、編織帶、繩索等,市場占有率較高,已經(jīng)較為廣泛地應用于耐火材料領域[3],在航空航天領域也具有廣闊的應用前景。

本文以3M公司的Nextel纖維為例,對Al2O3纖維的性能進行綜述。

3M公司通過加入不同含量的添加劑來抑制晶粒的生長、改善Al2O3纖維的強度,其生產(chǎn)的Nextel系列纖維的主要成分為Al2O3-硼硅酸鹽（牌號312&440）、Al2O3-硅酸鹽（牌號550&720）和Al2O3（牌號610）長纖維,纖維直徑7～13μ m。

Nextel纖維家族能夠滿足不同的需要:Nextel 312、440、550主要用于非承力結構,隔熱性能十分出色;Nextel 610、720可用于制造承受較大載荷的金屬基、陶瓷基和聚合物基復合材料;Nextel 312和440纖維由Al2O3、SiO2和B2O3組成,2種纖維組成原料的成分不同。由于存在B2O3,纖維紡絲原液中存在液晶相和玻璃相,它們能夠阻止晶粒長大,幫助纖維在高溫下保持強度;Nextel550纖維不存在玻璃相,當纖維暴露在1 200℃以上的環(huán)境時,Nextel 550的強度要低于Nextel 440（后者組成包括莫來石）;用于制造復合材料的Nextel 610和720存在帷α-Al2O3,但不含有任何玻璃相,纖維能在高溫下保持較高的強度,Nextel 610在室溫下的拉伸強度最高,因而十分適合制造金屬基復合材料,但它的拉伸強度隨溫度的升高下降很快。

如果材料不承受大的載荷,選擇成本較低的非結構纖維即可,如Nextel 312、440、550等,IADS的TPS防熱層可采用上述纖維。各種常用的Nextel纖維的性能如表1所示[4]。

表1 Nextel纖維的性能參數(shù)

根據(jù)3M公司的試驗結果,Nextel系列纖維的耐熱性能如圖3所示?？梢钥闯?在溫度低于1 000℃時,Nextel纖維的強度保持率非常高,除312纖維外,其余均在85%以上,而312纖維在1 000℃的強度保持率也在55%以上。當溫度升高至1 200℃時312纖維的強度為0,即纖維分解,其余纖維的強度保持率仍然非常高,均在85%以上。強度保持率最低的是440纖維,但仍超過65%。當溫度為1 400℃時,只有720纖維的強度保持率在85%以上,550和610纖維的強度保持率基本相同,約30%,440纖維分解。根據(jù)以上試驗結果,當使用溫度在1 000℃～1 400℃時,Nextel系列纖維能夠滿足防熱要求。

圖3 Nextel系列纖維在不同溫度下的強度保持率

3.2 Al2O3纖維的制備方法

Al2O3纖維的生產(chǎn)工藝簡單,可以直接從水溶液、懸濁液、溶膠或其他一些有機溶液中紡絲,也可以膠粘絲為接替纖維來制備,對生產(chǎn)設備要求不高;可以在空氣中直接進行無機化,不需惰性氣體保護。相對于SiC和碳纖維,Nextel無機纖維的生產(chǎn)成本要低很多[5]。

Al2O3纖維的主要制備工藝方法有:溶膠-凝膠法、混合液紡絲法、卜內(nèi)門法、基體纖維浸漬溶液法等。3M公司采用溶膠-凝膠法制備Nextel纖維,在含有甲酸根離子和乙酸根離子的Al2O3溶膠中,加入作為硅組分的硅溶膠和作為B2O3組分的H3BO3,得到混合溶液,將混合溶液濃縮成粘度較高的溶膠,進行擠出紡絲,將纖維原絲進行干燥,然后在1 000℃以上、有張力的條件下進行燒結,得到連續(xù)Al2O3纖維。采用溶膠-凝膠法可制得性能優(yōu)異的Al2O3纖維。這種制備方法工藝簡單,可設計性強,產(chǎn)品多樣化,發(fā)展?jié)摿薮骩6-7]。

3.3 Al2O3纖維在充氣式氣動阻尼結構中的應用

充氣式再入和返回技術近幾年受到了世界各國的重視,然而早在幾十年前國外就開始了相關的研究,美國、俄羅斯和歐空局對充氣式再入飛行器進行了多年研究和試驗工作,在柔性防熱材料方面已經(jīng)取得了快速發(fā)展[8-10]。

Al2O3纖維具有優(yōu)異的耐高溫性能和柔性,可根據(jù)高溫操作環(huán)境的需要制成編織物,特別是3M公司的Nextel系列纖維,在國外充氣式再入飛行器中已得到了廣泛應用。

3.3.1 充氣式氣球傘

美國ILC Dover公司在早期附體型充氣減速器的基礎上為火星登陸計劃設計了一種新型充氣式氣球傘,其TPS為多層柔性隔熱結構（MLI）,組成材料為:陶瓷基纖維、碳布、金屬箔以及表面貼金屬箔的聚酰亞胺。

根據(jù)充氣式氣球傘所受的氣動熱不同,多層防熱結構的層數(shù)有所不同,因此材料的厚度隨位置的不同而不同。在氣動加熱最嚴重的表面,即返回艙與氣囊的結合部,ILC Dover公司設計了多達25層材料組成柔性TPS,最外層的陶瓷基纖維為Nextel 312纖維,其結構組成如表2所示。在充氣式氣球傘表面其它部分,隨著氣動熱的逐漸降低,TPS的柔性防熱材料厚度逐漸減小。

表2 美國充氣式氣球傘柔性TPS結構

材料名稱 功能 厚度/mm 層數(shù)鋁箔（Al） 阻氣層 0.13 4帶鋁箔的Kapton（Al-Kapton） 阻氣層 0.05 1 Al-Kapton 阻氣層 0.008 11 Al-Kapton 阻氣層 0.15 1 Kapton氣囊 阻氣層 0.18 1

3.3.2 充氣式回收飛行器

美國航天回收系統(tǒng)公司于20世紀80年代中期取得了充氣式航天減速/回收系統(tǒng)的專利,即充氣式回收飛行器（Inflatable Recovery Vehicle,IRV）,主要用于載荷回收和航天員救生。IRV的最高再入溫度達980℃,其TPS使用Nextel 312纖維作為外層防熱材料,內(nèi)層的氣囊材料類似高空氣球使用的材料,如尼龍、滌綸等。

3.3.3 充氣阻尼式再入飛行器預研項目

美國NASA Langley研究中心對充氣阻尼式再入飛行器預研項目PAIDAE（The Program to Advance Inflatable-Decelerators for Atmospheric Entry）的防熱材料進行了試驗研究,充分利用“貨架產(chǎn)品”（off the shelf）,使用成熟的商業(yè)產(chǎn)品研制了多種柔性防熱材料試樣,并進行了熱防護試驗。NASA研制的充氣式氣動減速器的內(nèi)囊承力層采用芳綸（Kevlar）織物浸潤硅樹脂,其許用溫度最高為250℃,減速器再入大氣層時的氣動熱為（50～300）kW/m2,與飛行器連接處的表面壓力達2kPa,柔性熱防護材料必須要保護內(nèi)囊材料的溫度在250℃以下。

PAIDAE的柔性熱防護材料由ILC Dover公司研制,使用商業(yè)化纖維材料,如Aspen Aerogel公司的Pyrogel碳纖維復合材料、3M公司的Nextel系列纖維、DuPont公司的聚酰亞胺（Kapton）薄膜等,通過組合形成多種樣品,圖4是NASA為PAIDAE設計的一種熱防護材料的結構。

圖4 美國PAIDAE的一種TPS結構

根據(jù)IADS的特點和TPS結構各層的功能,外層的防熱層主要使用Nextel Al2O3纖維和碳纖維,NASA的高溫燒蝕試驗結果表明,BF-20即Nextel 440是較為理想的防熱層材料[11]。PAIDAE的TPS各層結構的備選材料如表3所示。

表3 充氣式阻尼結構熱防護系統(tǒng)備選材料

功能層 制造商 材料牌號 材料組成 最高使用溫度/℃隔熱層Aspen Aerogel Pyrogel 3550 無紡碳纖維和玻璃纖維增強SiO2氣凝膠氈布325 Pyrogel 6650 無紡碳纖維和玻璃纖維增強SiO2氣凝膠氈布650 Hitco碳纖維復合材料公司Refrasil 1800 無定形SiO2 982 Refrasil 2000 經(jīng)過殘余收縮處理的無定形SiO2氈布1 093 Sigratherm KFA5 碳纖維氈布 350（氧化環(huán)境）1 200（非氧化環(huán)境）阻氣層DuPont Kapton UN Kapton 400 UBE Upilex-S 耐高溫Kapton 500

4 結束語

綜上所述,目前國外IADS的TPS,常采用多層防熱結構,外層的防熱層用來阻隔熱流、防止內(nèi)部阻氣層溫度過高而破壞。采用多層防熱結構可根據(jù)氣動熱的大小選擇不同的材料和層數(shù),設計十分靈活。

由于受到早期材料技術的限制,充氣式氣球傘使用Nomex纖維織物加Viton涂層作為防熱層,但只能承受530K～590K的熱載荷,俄羅斯IRDT公開的資料很少,其熱防護材料的牌號和性能還無法得知,但根據(jù)已有的資料,它使用耐熱纖維織物加熱防護涂層。充氣式氣球傘、IRV和PAIDAE這三種充氣式再入飛行器的防熱層均采用或擬采用Al2O3纖維織物。

根據(jù)前面分析,Al2O3纖維具有出色的耐高溫能力,柔性好、可編織,生產(chǎn)成本較碳纖維低,適合應用于IADS的TPS。因此加強Al2O3纖維的制備工藝和應用研究、實現(xiàn)Al2O3纖維的國產(chǎn)化對我國空間IADS的發(fā)展具有重要意義。

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