高超声速飞行器热防护系统研究概况

高超声速飞行器热防护系统研究概况

陈正明

江南机电设计研究所 贵州贵阳 550009

摘要：随着飞行器飞行速度的不断提高，将面临严酷的气动加热环境，对弹体的热防护系统设计要求更加严格。热防护技术是高超声速飞行器设计的关键技术之一，对高超声速飞行器热防护系统进行介绍，热防护方式由被动式热防护向主动热防护方式过渡。从环境与热防护材料的耦合作用出发，介绍了新型热防护机制的原理和进展。

关键词：高超声速，热防护

1引言

飞行器以高超声速飞行时，由于激波压缩、粘性摩擦等作用，造成壁面附近气温升高。高温空气不断向低温壁面传热，引起强烈的气动加热。同时，由于翼、舵等部件的存在，会出现激波干扰流动、分离流动等复杂气动现象，导致气动热环境十分复杂而严酷，飞行器在临近空间的飞行马赫数为8时，头锥温度可高达1800℃，翼面前缘温度在1500℃左右，必须进行有效的防热设计[1]。

随着飞行器性能指标的不断提升，高超声速飞行器热防护方式由被动向主动、单一防热功能向多功能一体化热防护技术以及新型材料的引入等发展新方向，为解决高超声速飞行器热防护问题提供了新的途径。本文对热防护技术相关研究进行了综述。

2传统热防护机制

热防护系统是高超声速防空导弹设计中的重要分系统之一，在防空导弹飞行过程中，它能够阻挡气动热向弹体内部坏境的传递，将温度维持在电子设备的正常工作范围内，确保结构及设备的安全可靠，不受气动加热的影响。根据作战任务需求的差异性，防空导弹飞行过程中承受的飞行热环境差别较大，因此热防护结构的设计也存在较大的差异。目前，热防护系统根据工作原理的不同，可以分为三类：被动式热防护系统、半主动式热防护系统和主动式热防护系统[2]，如表1所示。

表1 热防护系统及其应用环境

2.1被动式热防护系统

被动防热系统依靠其自身结构和材料，将热量吸收或辐射出去，不需要工质来排走热量，即通过辐射带走一部分热量后，余下热量依靠自身吸收储存、结构材料耐温或隔热层阻挡。简而言之，飞行器被动防热系统主要依靠耐高温材料选型和飞行器整体结构设计的统筹运行，常见的方案有陶瓷瓦、柔性毡和金属盖板式防热3种[3]。

2.2被主动式热防护系统

半主动式热防护系统介于主动热防护系统和被动热防护系统之间，大部分的气动加热由工质或者气流吸收带走，目前主要分为热管和烧蚀防热两种形式。热管大多数情况应用于局部气动加热严重而其周围区域加热程度相对较轻的部位，热管在热端吸收热量，管内液态冷却工质汽化为气态流向冷端，在冷端将吸收的热量释放，冷却工质冷凝为液态并通过毛细作用回流至热端，以此循环工作；烧蚀防热主要应用于飞行器表面气动加热严苛的飞行器部件，其工作原理是通过结构或材料的烧蚀引起自身质量损失，吸收并带走热量，达到阻止热量传递，保护内部结构的目的。

2.3 主动热防护系统

主动冷却热防护技术更适用于结构经受长时、高热流密度气动热环境。其采用防热结构和材料，利用冷却工质（固态、液态、气态） 带走绝大部分气动热量，以降低表面温度，保证内部结构安全可靠的工作。其实质是具体的热防护系统和主动冷却方法的有机结合，根据冷却方法的不同，一般可分为发汗冷却、薄膜冷却和对流冷却3种，发汗冷却的工作原理是冷却剂通过多孔表面毛细作用排出吸收表面上的热流；薄膜冷却的工作原理是冷却剂从不连续的微小管道中喷出以达到吸收热量的目的；对流冷却的工作原理是冷却剂在结构中的铺设通道或预埋的管路中进行循环流动，将热量吸收带走排出。

3新型热防护机制

仅仅依靠传统热防护机制已难以满足未来高超声速飞行器对热防护的需求。从考虑环境与热防护材料的耦合作用出发，研究气动热环境、揭示材料热响应的机理，从被动的抵御气动热环境带来的热载荷向主动利用环境与材料间的耦合作用来实现热载荷的主动调控，即尽可能减少环境带来的气动热，并增加材料的散热能力。

此时，飞行器表面的气动热载荷主要由四部分组成:①激波层内高温气体与飞行器表面间高温差而产生的对流加热；②高焓反应气体在飞行器表面异相催化反应而产生的化学加热；③高温非平衡气体对飞行器表面的辐射加热；④表面以辐射散热和内部传导散热的热载荷。以上四种气动加热方式满足局部热平衡方程，即“对流热+化学热+辐射加热=辐射散热+传导热”。从热平衡方程可以看出飞行器表面的热响应取决于传入结构的净热量，因此，主动控制/利用环境与材料的耦合作用来调控环境加热量和表面散热量将是解决传统热防护机制能力不足问题的关键。基于这一思想，已经发展了多种新型热防护机制，主要通过材料的改进、结构的创新和新型物化效应的引入，实现对流热(边界层传热、流态控制)、化学热(原子重组、电子耗散)、辐射热(光吸收/发射操控)的主动调控，降低环境对飞行器表面的加热或增加新的散热机制，进而显著提升热防护的能力

[4]。

3.1对热流的控制

环境对材料表面的对流加热是经由边界层将能量传递到材料表面的，另外，边界层内气体的不稳定流动引起的转捩也会加剧局部位置的对流传热。因此，可以通过流场重构来减缓激波层向边界层的能量传递或利用流态控制来抑制高超声流动转捩引起的局部热流突增，实现对材料表面对流加热的调控。

3.2材料化学反应热的控制

化学热反应热的控制分为原子和电子两个层面。原子层面是指通过调控材料表面的催化系数来控制催化再结合反应，从而减少环境对材料表面的化学加热；而电子层面是指利用材料表面热电子发射过程的吸热特性来增加表面能量耗散；达到冷却材料表面的目的。

3.3材料表面辐射热的控制

高温气体和材料的光辐射取决于光与物质中原子、分子或离子的相互作用，因此可以利用光子晶体或高发射率涂层材料的光辐射操控特性来减少材料对高温气体光辐射能量的吸收或增加材料表面对外光辐射的能量耗散，从而降低材料表面的气动热载荷。

4小结

随着高超声速飞行器研究，传统热防护机制已经达到瓶颈，新型热防护机制的发展为下一代高超声速飞行器对热防护需求提供了解决思路，对热防护系统的设计与改进具有重要的意义，形成了对流热、辐射热及化学热控制三个方向。

参考文献

[1] 李阳. 航天器TPS用耐高温烧蚀修复剂研究［D］. 南京：南京航空航天大学，2011.

[2] 范绪箕．高超声速飞行器热结构分析与应用［M］．北京: 国防工业出版社，2009：132-188.

[3] 孙兆虎. 高超声速飞行器结构热问题讨论［J］. 航空科学技术，2008（3）：13-16.

[4] 梁伟，金华，孟松鹤，等. 高超声速飞行器新型热防护机制研究进展［J］. 宇航学报，2021，4：409-424.