運載火箭柔性防熱材料隔熱性能的試驗研究

王亞軍，劉樹仁，吳義田，劉立新

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

運載火箭在長時間飛行過程中經受十分嚴酷的熱環(huán)境，為保證其內部各類儀器、電纜等的正常工作，火箭熱防護結構須能確保火箭內部溫度控制在允許的范圍內，如電纜正常工作時要求芯線溫度不超過200℃[1]。以二級尾艙為例，艙內儀器電纜所處環(huán)境熱源包括發(fā)動機高溫噴流輻射加熱、高溫部件輻射加熱以及發(fā)動機羽流回流加熱等，且持續(xù)時間長達數百秒，導致熱環(huán)境極其嚴酷，必須對儀器電纜等進行熱防護。目前，儀器電纜等的防熱主要采用柔性熱防護方式，利用各類柔性防熱材料實現被動防熱[2-3]。常用的防熱材料包括高溫絕熱帶（布）、無堿玻璃纖維帶、玻璃纖維套管、硅橡膠布和鍍鋁薄膜等[4-5]。然而這些材料的熱物性參數尚未準確獲得，有的熱物性參數還是與溫度相關的函數，不同材料組合的隔熱性能也有很大差異，這些都給熱防護工作的選材設計與仿真驗證造成了一定的困難。為了設計出有效的熱防護系統(tǒng)并提高其可靠性，需要對有關防熱材料以及組合的隔熱性能有準確的了解。

地面熱試驗是一種有效的材料隔熱性能考核方法[6]；以石英燈加熱技術為代表的輻射加熱方法具有加熱能力強、加熱時間長、易于控制等特點，是熱試驗廣泛應用的加熱方法[7]。本文以某型運載火箭二級尾艙內電纜隔熱性能為研究對象，考慮火箭典型二級飛行段高度在70～120 km，大氣壓力在10-1Pa量級，分子密度很低，近似為真空環(huán)境，故在熱試驗中通過真空罐模擬飛行段的真空環(huán)境，采用石英燈加熱器模擬熱源，選取最常用的幾種防熱材料進行材料在輻射熱環(huán)境下的隔熱性能測量試驗，以期準確獲取材料隔熱性能，為火箭熱防護設計選材提供參考。

1 試驗系統(tǒng)及試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗設備由真空罐（見圖1）、石英燈加熱器（見圖2）組成；

測量系統(tǒng)由熱流計、真空計、K型熱電偶數據采集裝置組成。

圖1 真空熱試驗用真空罐Fig.1 Vacuum tank for the thermal vacuun system

圖2 石英燈加熱器Fig.2 The quartz lamp heater

1.2 參試材料

以火箭二級尾艙內電纜防熱常用的柔性材料為研究對象，包括玻璃纖維套管、玻璃纖維帶、硅橡膠布、鍍鋁薄膜等，將不同厚度的不同防熱材料包覆在電纜外進行試驗。

1.3 試驗方案

該型號火箭二級飛行段飛行時間不超過800 s，且遙測數據顯示20 kW/m2的熱流值是尾艙內電纜所處熱環(huán)境的典型值。因此，根據實際飛行環(huán)境將試驗工況設定為：熱流密度20 kW/m2，保持時間800 s，真空環(huán)境10-3～5.2 Pa。試驗開始前先進行抽真空操作，至罐內達一定真空度后，由石英燈陣施加熱流。

真空罐內放置試件支架，中間為間隔金屬絲網，電纜水平鋪設，相互之間無交叉重疊，與真空罐底面懸空隔離，石英燈陣從上方垂直照射，見圖3。試驗件結構由內至外依次為多根電纜芯線、玻璃纖維套管、防熱材料。溫度測點設置如圖4所示：測點P1在套管外，即防熱材料內表面；測點P2在防熱結構外表面。

圖3 試驗裝置示意Fig.3 Schematic diagram of test apparatus

圖4 溫度測點設置Fig.4 Point setting for the temperature measurement

在試驗中通過控制輸入電壓來控制加熱熱流：輸入電壓為4.5 V時，對應熱流密度為20 kW/m2。試驗電壓加載曲線如圖5所示，波動基本在10%以內。

為探究材料的隔熱性能以及組合使用時的隔熱性能差異，對材料進行分組試驗，分組情況見表1。為了保證電纜芯線溫度不至于過高，參試防熱材料均使用2層以上。

表1 隔熱性能試驗材料分組Table 1 Grouping for the thermal protection test of materials

2 試驗結果及分析

2.1 玻璃纖維帶和鍍鋁薄膜

為了比較玻璃纖維帶以及鍍鋁薄膜隔熱性能的差異，分別對這2種材料進行試驗，試驗結果如圖6、圖7所示。其中：曲線P1表示材料內表面溫度變化趨勢；曲線P2表示材料外表面溫度變化趨勢。試驗結果顯示：在熱流保持800 s時，2層玻璃纖維帶內外表面溫度分別為343、437℃，相差94℃；2層鍍鋁薄膜內外表面溫度分別為322、431℃，相差 109℃。

圖6 2層玻璃纖維帶隔熱性能測試Fig.6 Temperature variations of two-layer glass fiber tape

圖7 2層鍍鋁薄膜隔熱性能測試Fig.7 Temperature variations of two-layer metallized films

2.2 不同材料組合隔熱性能的比較

防熱材料內表面溫度決定了內部結構能否安全工作。在設計熱防護結構時，為了降低內部溫度，常常盡可能地增加結構的厚度。本研究為簡化操作，以相同厚度材料的層數來表征材料厚度。圖8是當玻璃纖維帶層數分別為2、4、6層時（對應表1中組別1、2、3）內外表面溫度變化曲線，熱流保持800 s時，它們的內部溫度依次為343、333、323℃。這表明，在單獨使用玻璃纖維帶時，每增加2層能使其內部溫度降低10℃左右。

圖8 不同層數玻璃纖維帶的隔熱性能對比Fig.8 Heat-proof performance of different layers of glass fiber tape

圖9為自內向外2層玻璃纖維+2層鍍鋁薄膜、2層硅橡膠布+2層鍍鋁薄膜、2層玻璃纖維帶+2層硅橡膠布+2層鍍鋁薄膜（分別對應表1中組別5、6、7）組合而成的隔熱防護層的內外表面溫度變化曲線。熱流保持800 s時，它們的內表面溫度依次為 269、228、192℃。這表明，將玻璃纖維帶、硅橡膠布、鍍鋁薄膜組合使用，能顯著提高防熱效率。

圖9 不同材料組合的隔熱性能測試Fig.9 Temperature variations of different material combinations

表2匯總了各試驗分組在熱流保持200、400、600、800 s這4個不同時刻的隔熱層內外表面溫度，可以為后續(xù)型號防熱設計提供參考。

表2 不同時刻隔熱材料內外表面測點溫度Table 2 Temperature test results at different times

2.3 結果分析

玻璃纖維帶以及硅橡膠布為低導熱系數材料，通過降低熱傳導進行隔熱；鍍鋁薄膜屬于高反射率材料，通過將表面入射熱量大量反射出去，來減少熱量的進入。因此，將這2類材料組合使用可發(fā)揮協同作用，相對于單獨使用玻璃纖維帶（組別1、2、3）或鍍鋁薄膜（組別4）時，隔熱效率更高。

3 結論

本文通過熱真空試驗，對玻璃纖維帶、硅橡膠布以及鍍鋁薄膜的隔熱性能進行了研究，設計了單一材料不同厚度以及不同材料組合的試驗分組，得到以下結論：

1）在本試驗工況下，單層玻璃纖維帶和單層鍍鋁薄膜可分別帶來約47℃和54.5℃的溫度降低，具有良好的隔熱性能，并且材料層數的增加能在一定程度上提升防熱效果。

2）在輻射加熱環(huán)境中，防熱結構外層使用高反射率材料，內層使用低導熱系數材料能顯著提高防熱效率。

3）在本試驗工況下，2層玻璃纖維帶+2層硅橡膠布+2層鍍鋁薄膜的組合能在20 kW/m2的熱流下保持800 s后，使防熱結構內外溫差達約232℃，內部溫度降低至192℃，已滿足電纜正常工作時溫度須低于200℃的防熱要求。這個結果可為與試驗工況相同或相近環(huán)境條件下的電纜防熱設計提供參考。