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高温热防护技术

【概要描述】1996年美国政府制定了ARRMD和Hyper-X计划[89-94],着重研发高超音速飞行器,验证机机型为X-43,包括X-43A,X-43B,X-43C和X-43D型号。其中X-43A飞行速度最高达到9.8Ma,其主体结构为钢梁,钢和铝合金蒙皮、后隔板。其中后隔板由钛合金来满足热防护性能要求。

高温热防护技术

【概要描述】1996年美国政府制定了ARRMD和Hyper-X计划[89-94],着重研发高超音速飞行器,验证机机型为X-43,包括X-43A,X-43B,X-43C和X-43D型号。其中X-43A飞行速度最高达到9.8Ma,其主体结构为钢梁,钢和铝合金蒙皮、后隔板。其中后隔板由钛合金来满足热防护性能要求。

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  1996年美国政府制定了ARRMD和Hyper-X计划[89-94],着重研发高超音速飞行器,验证机机型为X-43,包括X-43A,X-43B,X-43C和X-43D型号。其中X-43A飞行速度最高达到9.8Ma,其主体结构为钢梁,钢和铝合金蒙皮、后隔板。其中后隔板由钛合金来满足热防护性能要求。飞行器上下表面采用1.3cm氧化铝增强热障陶瓷进行热防护,外表面含纤维增韧涂层。热流密度较大的机翼前缘部分采用C/C复合材料,表面覆盖一层SiC材料。机身前缘采用被动热防护方案,表面包裹一层C/C复合材料,最高能承受1649℃,其表面覆盖一层SiC涂层。图36为X-43高超速飞行器示意图。

图36 X-43高超速飞行器示意图

  1999年美国NASA开始X-37项目,由波音公司研制的X-37B试验机,其飞行速度可达到20Ma,在轨时间长达270天。该机型采用单片增韧抗氧化复合结构(TUFROC),最高承受温度可达1700℃,密度仅为增强C/C的四分之一[95-98],图37为X-37B图。

图37 X-37B图

  2011年美国海军、波音公司和惠普公司共同开发“高超声速飞行技术演示计划(HYFLY)”[99, 100]。该计划验证机飞行速度最高可达到6.5Ma,整体采用钛合金,从2005年到2008年先后进行了4次飞行试验,均告失败。图38为HYFLY验证机示意图。

图38 HYFLY验证机示意图

  2003年美国开始FALON计划[101-104],目标研发速度可达20倍音速的飞行器。其中验证机型X-51A计划目标是开发Ma为5~7的可以在1h内对全球进行打击的飞行器。2009年和2011年两次试验均告失败,2012年第三次试验速度达到5倍声速,飞行约230海里。图39为X-51A示意图。

图39 X-51A示意图

  俄罗斯也在大力发展高超声速飞行器技术,1991年实施“冷”计划,验证机型SA-5“甘蒙”导弹,最高飞行速度可达到6.5倍音速,图40为验证机型布局结构图。除此之外,俄罗斯还开发了“彩虹-D2”和“鹰-31”验证机型,其最高飞行速度可达到6.5Ma和5.5Ma。上述计划飞行器技术均处于世界先进水平[105, 106]

图40 SA-5甘蒙导弹结构图

图41 针对不同温度范围和运行时间的热管理方法

  对于不同类型的航空飞行器应采用不同的热管理策略,图41是针对温度和时间分类的航空飞行器。例如X-15采用热沉方法,因为该飞行器飞行时间短且温度适中。SR71由于飞行时间更长,温度适中,所以使用高温结构设计。

  图42为航天飞机表面温度分布图,采用了传统的铝蒙皮结构,由于要在350℉条件下反复使用,应用防热瓦作为隔热材料在迎风面,背风面用隔热毯。飞机前缘采用碳碳材料。

图42 航天飞机表面温度分布

 

参考文献:

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[102] J.T.R. Spravka J J, Current Hypersonic and Space Vehicle Flight Test and Instrumentation, AIAA Paper, 2015.

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[104] C. H, USAF Successfully Tests X-51A WaveRider, Jane's Defence Weekly, 47 (2010) 130-139.

[105] 蔡国飙,徐大军, 高超声速飞行器技术, 科学出版社, 北京, 2012.

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