本發(fā)明屬于航天熱防護(hù)，具體涉及一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器面臨著日益復(fù)雜和嚴(yán)峻的飛行環(huán)境挑戰(zhàn)，在航天器的飛行過程中，它會(huì)經(jīng)歷多種極端的溫度變化情況，例如，當(dāng)航天器進(jìn)入大氣層時(shí)，由于空氣摩擦等原因，航天器外表面會(huì)急劇升溫，若不采取有效的熱防護(hù)措施，過高的溫度會(huì)對(duì)航天器內(nèi)部設(shè)備和結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p害，影響其安全與正常運(yùn)行，而在宇宙空間的極端低溫環(huán)境下，航天器又需要防止內(nèi)部熱量過度散失，以維持內(nèi)部合適的溫度，保障電子設(shè)備等的正常工作，同時(shí)，宇宙中還存在著大量的輻射，如宇宙射線等，這些輻射會(huì)對(duì)航天器內(nèi)部的電子設(shè)備以及可能存在的航天員造成危害，需要有效的屏蔽措施，而且，航天器對(duì)自身的重量和空間有著嚴(yán)格的限制要求，熱防護(hù)系統(tǒng)既要滿足良好的熱防護(hù)性能，又要控制重量和厚度，以確保航天器能夠順利完成飛行任務(wù)。

2、在現(xiàn)有的熱防護(hù)技術(shù)中，傳統(tǒng)的熱防護(hù)材料和方法在某些性能方面可能存在不足，例如，一些材料可能無法同時(shí)滿足高強(qiáng)度、高耐熱、良好的熱反射以及適應(yīng)重量和空間限制等多方面的要求，因此，研發(fā)一種新型的適用于航天器的熱防護(hù)系統(tǒng)變得至關(guān)重要，本案中的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生，旨在解決航天器在不同飛行環(huán)境下的熱防護(hù)問題，保障航天器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行以及內(nèi)部設(shè)備和人員的安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)及方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，包含碳纖維主體結(jié)構(gòu)，所述碳纖維主體結(jié)構(gòu)由多層碳纖維材料復(fù)合而成，其中各層碳纖維的編織方向呈特定角度交錯(cuò)，該結(jié)構(gòu)能有效增強(qiáng)其力學(xué)性能與熱防護(hù)性能。

3、優(yōu)選的，所述碳纖維主體結(jié)構(gòu)的最內(nèi)層與航天器外表面直接接觸，且通過一種具有良好耐高溫和粘結(jié)性能的專用膠合劑相連接，所述膠合劑在溫度為-100攝氏度至500攝氏度的范圍內(nèi)能保持穩(wěn)定的粘結(jié)狀態(tài)。

4、優(yōu)選的，還包括設(shè)置在碳纖維主體結(jié)構(gòu)外層的熱反射涂層，所述熱反射涂層由具有高反射率的材料制成，能夠?qū)⒋蟛糠滞獠繜崃糠瓷涑鋈?，其?duì)特定波長(zhǎng)范圍的熱輻射反射率不低于80％。

5、優(yōu)選的，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)中的碳纖維材料，其拉伸強(qiáng)度不低于3500兆帕，彈性模量在200至300吉帕，且在溫度高達(dá)1500攝氏度時(shí)，碳纖維材料的強(qiáng)度保持率不低于80％，所述碳纖維材料具有良好的抗熱震性能，在經(jīng)歷從室溫到1200攝氏度的急冷急熱循環(huán)50次后，碳纖維主體結(jié)構(gòu)無明顯裂紋和破損。

6、優(yōu)選的，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)的總厚度在5至15毫米之間，其重量應(yīng)控制在每平方米5千克以內(nèi)，以滿足航天器對(duì)重量和空間的限制要求，同時(shí)確保熱防護(hù)系統(tǒng)在航天器飛行過程中的穩(wěn)定性，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)的邊緣部分應(yīng)采用特殊的密封處理，密封材料與碳纖維主體結(jié)構(gòu)和航天器外表面之間的結(jié)合強(qiáng)度不低于50牛頓/毫米2，以防止外部氣體和雜質(zhì)在飛行過程中進(jìn)入熱防護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部。

7、優(yōu)選的，一、根據(jù)航天器的形狀和尺寸，設(shè)計(jì)并制備合適的碳纖維主體結(jié)構(gòu)(1)，確保各層碳纖維的編織和復(fù)合工藝符合要求，使碳纖維材料的性能得到充分發(fā)揮。

8、二、將制備好的碳纖維主體結(jié)構(gòu)通過專用膠合劑粘貼到航天器外表面上，粘貼過程中要保證膠合劑均勻分布，且施加的壓力在100至200帕斯卡，以確保粘貼牢固。

9、三、在碳纖維主體結(jié)構(gòu)外層噴涂熱反射涂層，噴涂工藝要保證涂層的均勻性和厚度在規(guī)定范圍內(nèi)，涂層厚度誤差不超過5微米。

10、四、對(duì)安裝好的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行全面的檢測(cè)和調(diào)試，確保其熱防護(hù)性能和各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

11、優(yōu)選的，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)在航天器進(jìn)入大氣層時(shí)，能夠使航天器外表面的溫度在3分鐘內(nèi)升高幅度不超過300攝氏度，以保障航天器內(nèi)部設(shè)備和結(jié)構(gòu)的安全與正常運(yùn)行，在宇宙空間的極端低溫環(huán)境下，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)能有效阻止航天器內(nèi)部熱量的散失，使航天器內(nèi)部溫度在1小時(shí)內(nèi)下降幅度不超過10攝氏度，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)對(duì)宇宙輻射的屏蔽效率不低于70％，以減少宇宙輻射對(duì)航天器內(nèi)部電子設(shè)備和航天員(若有)的危害。

12、優(yōu)選的，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同類型航天器的飛行任務(wù)和環(huán)境要求，無論是近地軌道飛行還是深空探測(cè)任務(wù)，均能正常發(fā)揮熱防護(hù)作用，且在不同任務(wù)中的熱防護(hù)性能差異不超過10％，碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)在航天器整個(gè)使用壽命期間，其可靠性不低于95％，且在經(jīng)歷20次的航天器發(fā)射、飛行和返回等過程后，熱防護(hù)性能仍能滿足設(shè)計(jì)要求，無需進(jìn)行大規(guī)模的維修和更換。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

14、首先，在力學(xué)性能與熱防護(hù)性能方面，其碳纖維主體結(jié)構(gòu)由多層碳纖維材料呈特定角度交錯(cuò)編織復(fù)合而成，有效增強(qiáng)了力學(xué)性能，能夠更好地承受航天器在飛行過程中可能遇到的各種外力，同時(shí)，熱防護(hù)性能突出，熱反射涂層能將大部分外部熱量反射出去，在航天器進(jìn)入大氣層時(shí)，可使外表面溫度在3分鐘內(nèi)升高幅度不超過300攝氏度，保障了內(nèi)部設(shè)備和結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，在宇宙低溫環(huán)境下，又能阻止內(nèi)部熱量散失，1小時(shí)內(nèi)內(nèi)部溫度下降幅度不超過10攝氏度，維持了航天器內(nèi)部合適的溫度環(huán)境，確保電子設(shè)備等正常工作，其次，對(duì)于宇宙輻射的防護(hù)效果良好，該系統(tǒng)對(duì)宇宙輻射的屏蔽效率不低于70％，能有效減少宇宙輻射對(duì)航天器內(nèi)部電子設(shè)備和航天員(若有)的危害，為航天器內(nèi)部的安全提供了重要保障，再者，在適應(yīng)航天器要求方面表現(xiàn)出色，其碳纖維材料具有良好的性能指標(biāo)，拉伸強(qiáng)度不低于3500兆帕，彈性模量在200至300吉帕，且在高溫下強(qiáng)度保持率高，抗熱震性能好，同時(shí)，熱防護(hù)系統(tǒng)總厚度在5至15毫米之間，重量控制在每平方米5千克以內(nèi)，滿足了航天器對(duì)重量和空間的嚴(yán)格限制要求，確保航天器能夠順利完成飛行任務(wù)，而且，其邊緣密封處理使密封材料與碳纖維主體結(jié)構(gòu)和航天器外表面結(jié)合強(qiáng)度不低于50牛頓/毫米2，防止了外部氣體和雜質(zhì)進(jìn)入熱防護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，最后，從整體應(yīng)用角度來看，該碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同類型航天器的飛行任務(wù)和環(huán)境要求，無論是近地軌道飛行還是深空探測(cè)任務(wù)，均能正常發(fā)揮熱防護(hù)作用，且熱防護(hù)性能差異不超過10％，在航天器整個(gè)使用壽命期間，可靠性不低于95％，經(jīng)歷20次的航天器發(fā)射、飛行和返回等過程后，熱防護(hù)性能仍能滿足設(shè)計(jì)要求，無需大規(guī)模維修和更換，大大降低了維護(hù)成本，提高了航天器的使用效率和安全性，對(duì)于推動(dòng)航天事業(yè)的發(fā)展具有重要意義，在實(shí)際生產(chǎn)生活中，其相關(guān)技術(shù)和理念也可能為其他領(lǐng)域如航空、高端制造業(yè)等提供借鑒和啟示，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

技術(shù)特征：

1.一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，包含碳纖維主體結(jié)構(gòu)(1)，所述碳纖維主體結(jié)構(gòu)(1)由多層碳纖維材料復(fù)合而成，其中各層碳纖維的編織方向呈特定角度交錯(cuò)，該結(jié)構(gòu)能有效增強(qiáng)其力學(xué)性能與熱防護(hù)性能。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于：所述碳纖維主體結(jié)構(gòu)(1)的最內(nèi)層與航天器外表面(2)直接接觸，且通過一種具有良好耐高溫和粘結(jié)性能的專用膠合劑(3)相連接，所述膠合劑(3)在溫度為-100攝氏度至500攝氏度的范圍內(nèi)能保持穩(wěn)定的粘結(jié)狀態(tài)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于：還包括設(shè)置在碳纖維主體結(jié)構(gòu)(1)外層的熱反射涂層(4)，所述熱反射涂層(4)由具有高反射率的材料制成，能夠?qū)⒋蟛糠滞獠繜崃糠瓷涑鋈?，其?duì)特定波長(zhǎng)范圍的熱輻射反射率不低于80％。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)及方法，其特征在于：所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)中的碳纖維材料，其拉伸強(qiáng)度不低于3500兆帕，彈性模量在200至300吉帕，且在溫度高達(dá)1500攝氏度時(shí)，碳纖維材料的強(qiáng)度保持率不低于80％，所述碳纖維材料具有良好的抗熱震性能，在經(jīng)歷從室溫到1200攝氏度的急冷急熱循環(huán)50次后，碳纖維主體結(jié)構(gòu)(1)無明顯裂紋和破損。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)及方法，其特征在于：所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)的總厚度在5至15毫米之間，其重量應(yīng)控制在每平方米5千克以內(nèi)，以滿足航天器對(duì)重量和空間的限制要求，同時(shí)確保熱防護(hù)系統(tǒng)在航天器飛行過程中的穩(wěn)定性，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)的邊緣部分應(yīng)采用特殊的密封處理，密封材料與碳纖維主體結(jié)構(gòu)(1)和航天器外表面(2)之間的結(jié)合強(qiáng)度不低于50牛頓/毫米2，以防止外部氣體和雜質(zhì)在飛行過程中進(jìn)入熱防護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)方法，其特征在于，包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)在航天器進(jìn)入大氣層時(shí)，能夠使航天器外表面(2)的溫度在3分鐘內(nèi)升高幅度不超過300攝氏度，以保障航天器內(nèi)部設(shè)備和結(jié)構(gòu)的安全與正常運(yùn)行，在宇宙空間的極端低溫環(huán)境下，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)能有效阻止航天器內(nèi)部熱量的散失，使航天器內(nèi)部溫度在1小時(shí)內(nèi)下降幅度不超過10攝氏度，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)對(duì)宇宙輻射的屏蔽效率不低于70％，以減少宇宙輻射對(duì)航天器內(nèi)部電子設(shè)備和航天員(若有)的危害。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同類型航天器的飛行任務(wù)和環(huán)境要求，無論是近地軌道飛行還是深空探測(cè)任務(wù)，均能正常發(fā)揮熱防護(hù)作用，且在不同任務(wù)中的熱防護(hù)性能差異不超過10％，碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)在航天器整個(gè)使用壽命期間，其可靠性不低于95％，且在經(jīng)歷20次的航天器發(fā)射、飛行和返回等過程后，熱防護(hù)性能仍能滿足設(shè)計(jì)要求，無需進(jìn)行大規(guī)模的維修和更換。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種適用于航天器的碳纖維熱防護(hù)系統(tǒng)及方法，屬于航天熱防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，該發(fā)明在其碳纖維主體結(jié)構(gòu)獨(dú)特，增強(qiáng)力學(xué)性能，熱反射涂層使熱防護(hù)性能突出，能控溫保障設(shè)備運(yùn)行，對(duì)宇宙輻射防護(hù)良好，屏蔽效率不低于70％，碳纖維材料性能指標(biāo)佳，熱防護(hù)系統(tǒng)尺寸重量合適，邊緣密封強(qiáng)，保障穩(wěn)定性，它適應(yīng)不同航天器任務(wù)環(huán)境，可靠性高，歷經(jīng)多次使用熱防護(hù)性能仍達(dá)標(biāo)，降低維護(hù)成本，提高安全性與使用效率，推動(dòng)航天發(fā)展，相關(guān)技術(shù)理念還可為航空等領(lǐng)域提供借鑒促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。

技術(shù)研發(fā)人員：劉奇星,李仁鎖,肖梨花,劉政,史雙喜,王治國(guó),宋小輝,劉忠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：桂林航天工業(yè)學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2