¿Qué es Estructura de protección contra el calor de reentrada?

Una estructura que protege la nave espacial de quemarse y sobrecalentarse en un ambiente calentado neumáticamente. Después de que la nave espacial de reentrada completa la misión programada, cuando atraviesa la densa atmósfera y regresa al suelo a una velocidad muy alta, la velocidad de la nave espacial disminuye drásticamente debido a la compresión y fricción de la nave espacial en el aire circundante, y parte de su energía cinética se transforma en el aire circundante de calor. Esta energía térmica se transfiere en parte a la propia nave espacial en forma de transferencia de calor por convección y transferencia de calor por radiación de ondas de choque.

Aunque este calentamiento puede reducirse en gran medida mediante un diseño aerodinámico adecuado, cuando la velocidad de la nave espacial es lo suficientemente grande, esta parte del calor todavía es suficiente para hacer que la nave espacial arda en el aire como un meteoro.

El problema de la protección térmica de reentrada se planteó originalmente a partir de la necesidad de protección térmica de las ojivas de misiles. La solución es adoptar el principio de cabeza roma, desarrollar varias estructuras resistentes al calor y los métodos de cálculo teóricos correspondientes, y desarrollar nuevos materiales resistentes al calor.

A fines de la década de 1950, la gente comenzó a estudiar la protección contra el calor de los satélites terrestres artificiales y las naves espaciales tripuladas. Debido a la diferencia en el entorno de reentrada entre las naves espaciales y las ojivas, la gente ha pasado del estudio de materiales de ablación de alta densidad y baja temperatura al estudio de materiales de ablación de baja densidad.

Después de la década de 1970, con las misiones propuestas de transbordadores espaciales y sondas espaciales, se resolvieron los problemas de protección térmica del bajo flujo de calor, el uso prolongado y repetido, y los problemas de protección térmica en el entorno de entalpía ultra alta y flujo de calor ultra alto.

La principal contradicción El éxito de la prueba de vuelo del transbordador espacial significa que el primer problema se ha resuelto con éxito, mientras que la investigación sobre el segundo problema todavía está en curso. Desde 1975, China ha dominado la tecnología de protección contra el calor de reentrada de las naves espaciales a través de la recuperación de múltiples satélites.

Estructurade protección térmica La estructura de protección térmica de reentrada generalmente consta de tres partes: capa de protección térmica, capa de aislamiento térmico y estructura de carga.

Para garantizar que la estructura de tres partes esté coordinada y sea compatible en varios entornos de temperatura posibles, se debe adoptar una forma de conexión relativamente móvil o un sistema adhesivo flexible para combinarlos.

Capa de protección contra el calor: Es una carcasa hecha de materiales metálicos o no metálicos, que absorbe o disipa el calor a través de la capacidad calorífica, el cambio de fase, la expulsión de masa y la reradiación del propio material. Diferentes naves espaciales o diferentes partes de la misma nave espacial tienen diferentes entornos térmicos, y los materiales y espesores de la capa de protección térmica correspondiente también son diferentes.

Para una nave espacial en órbita terrestre baja, la temperatura ambiente al final de la reentrada es tan alta como 6000-8000 K. El calentamiento aerodinámico en esta parte es el más serio y el escudo térmico también es el más grueso.

Capa aislante: está compuesta por materiales ligeros como fieltro de fibra inorgánica o materiales aislantes multicapa. Su función es separar la carcasa metálica de alta temperatura de la estructura interna de la cabina, para evitar o retrasar la introducción de calor externo, de modo que la temperatura del mamparo no supere un valor predeterminado durante todo el proceso de reentrada.

Pero a veces, para simplificar el proceso de estructura, el efecto de aislamiento térmico del propio material resistente al calor o el efecto de aislamiento térmico de la estructura tipo sándwich de panal se utiliza a menudo para integrar esta capa con la capa exterior resistente al calor o la carga interna. estructura portante.

Estructura que soporta la fuerza: es el esqueleto del compartimiento de reentrada de la nave espacial. Además de mantener una cierta forma aerodinámica de la nave espacial, a menudo instala algunos instrumentos y equipos directamente sobre ella. Por lo tanto, debe resistir la reactivación de la nave espacial. Proceso de entrada Sobrecarga de freno y presión exterior neumática. Por lo general, consta de una carcasa de metal o una estructura de sándwich de panal.

Método de protección contra el calorSegún diferentes principios de funcionamiento, los métodos de protección contra el calor se dividen en tres tipos: tipo de absorción de capacidad térmica, tipo de radiación y tipo de eyección de masa.

Protección térmica endotérmica de capacidad térmica: el efecto de absorción de calor de la capacidad térmica del propio material de protección térmica cuando se eleva la temperatura se utiliza como mecanismo principal de absorción y disipación de calor.

Este método requiere una alta conductividad térmica, una gran capacidad calorífica específica y un alto punto de fusión para los materiales de protección térmica, y generalmente se utilizan metales como el cobre o el berilio recubiertos con níquel en la superficie.

La ventaja de este método es que la estructura es simple, la forma no cambia cuando se vuelve a ingresar y se puede reutilizar. La desventaja es que el flujo de calor de trabajo está limitado por el punto de fusión del material y el peso es grande, que ha sido reemplazado por otros métodos de protección contra el calor.

Protección contra el calor por radiación: utilice el efecto de re-radiación del material de protección contra el calor a alta temperatura como mecanismo principal de disipación de calor. Dado que el flujo de calor radiante es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura de la superficie, cuanto mayor sea la temperatura de la superficie, más significativo será el efecto de protección contra el calor. Pero la temperatura de trabajo está limitada por el punto de fusión del material.

De acuerdo con las diferentes temperaturas de equilibrio de radiación en la superficie de la nave espacial, generalmente se utilizan placas de aleación de níquel-cromo o de aleación de metal refractario, como niobio y molibdeno, para fabricar la carcasa resistente al calor por radiación. Desde la década de 1970, con la aparición y la baja densidad de los materiales compuestos cerámicos, se han comenzado a utilizar bloques de espuma cerámica livianos con revestimientos superficiales en los métodos de protección radiológica.

La mayor ventaja de la estructura radiante a prueba de calor es que es adecuada para un uso prolongado en un entorno de bajo flujo de calor. La desventaja es que la capacidad de adaptación a los cambios en la calefacción externa es deficiente. Sus condiciones de uso son: el flujo de calor de trabajo generalmente no supera los 460 kW / m ² o 110 kcal / (m ² · seg), y el campo de flujo debe estar despejado.

Protección térmica de eyección de masa: use el efecto de eyección de masa del material que previene el calor después de la pirólisis y gasificación a alta temperatura o el líquido o gas rociado artificialmente en la capa límite como el mecanismo principal de disipación de calor. El más común y más importante de estos métodos de protección contra el calor es el método de protección contra el calor ablativo.