传统热盾维护的挑战

热盾是任何必须经受极端热环境,从大气重返到持续超音速飞行的飞行器的关键部件。几十年来,单层热盾——单一的连续结构——一直是标准的解决办法。它们提供了可靠的热防护,但构成重大的维护障碍。一个单一的损坏点往往需要拆除和更换整个防盾,这一过程需要数周,花费数百万美元。这种效率低下的情况对于可再使用的航天器来说尤其成问题,因为任务之间的快速转速至关重要。航空航天工业长期以来一直寻求一种更实际的办法,导致开发模块式热盾设计。

什么是模态热盾?

模块热防护罩(TPS)将热防护系统分为可单独安装、拆除和更换的离散部分、板块或瓦片。 与单体前身不同的是,这些设计允许技术人员进入特定区域而不干扰周围的热防护。 每个模块都通过机械紧固器或粘合物进行连接或连接,在组装时形成连续的保护屏障。 这一概念并非全新的 — — 美国航天局航天飞机使用了数千块陶瓷瓦,作为准模块系统运作 — — 但现代的进步大大改善了这类设计的结构完整性、附件方法和热性能。

现代模块系统的关键特征

  • 标准接口:[] 模块使用一致的附加点和容量,允许快速互换.
  • 独立的热区:[ 每个面板可以优化,以达到其位置的特定热通量,压力,以及剪切负载.
  • 可再利用的附件机制: 机械式拉链、刺刀配件或可再利用的粘贴垫允许无损拆除。
  • 综合遥感:[一些模块现在嵌入温度和压力传感器用于实时健康监测。

这种设计理念大量借用模块化电子和汽车车体板,但必须面对更极端的条件:温度超过1600 °C,高动态压力,以及快速的热循环.

单石盾牌上模块设计的好处

模块热屏蔽的好处远远超出方便范围,从根本上改变了热防护维护的经济和后勤。

较易维护和减少下调时间

单层盾牌,即使是小裂缝或三角覆盖,通常也需要更换整个结构。在一个模块系统中,损坏的瓦片或面板可以在数小时而不是数周内换换。例如,SpaceX龙胶囊使用单层的PICA-X热屏蔽,每次任务后都需要完全更换。相反,即将到来的星舰设计中包含了模块化的不锈钢和陶瓷瓦,可以在飞行之间单独更换。这大大缩短了车辆故障时间,增加了发射节奏。

成本有效修理和减少备件库存

更换一个模块需要部分更换一个完整的屏蔽。 此外,模块化系统允许操作人员储存符合多个位置的标准化的瓦片,减少所需零件的种类。例如,航天飞机计划必须清点数千个位置的独特瓦片形状。 现代模块化系统使用较少的瓦片几何形状,往往只有两三个基本形状,从而简化了供应链并削减了库存成本。

加强检查和无损评价

单个模块可以使用超声波测试、热电图或X射线计算成像仪等技术被彻底移除和检查。 这比在现场检查大型单层盾牌更有效,因为进入和几何限制检查深度。 常规检查成为简单的拉动、测试和重置过程,在微架和材料退化变得关键之前抓住它们。

设计灵活性和局部优化

每个模块都可以针对其特定的热和机械环境进行定制. 鼻孔板可能使用超高温陶瓷,而流水板则可以使用更轻的燃化材料,这种定向方法避免了整个屏蔽的过度工程化,使工程师可以进行不同材料组合的实验,而无需重新设计整个热保护系统.

模块热盾如何改进修复过程

模块化将修复从一个大型工程操作转变为一个日常的维护任务。在典型的修复情况下,技术人员首先使用一个钻井机或摄像机无人机来识别受损模块。然后,模块就使用为特定附件机制设计的工具——通常是简单的六边形驱动器或季度转弯锁,一个预先核证并储存在气候控制容器中的替换模块被提升到位置并锁定在原位。整个操作可以在一小时内完成,一个面板就可以完成。

这一过程对轨道飞行器来说特别有价值. 例如,在国际空间站上,宇航员在太空行走中进行了热防护修复,但模块化系统可以进行更简单的机器人替换. 对于乘员时间宝贵的月球或火星任务,热屏蔽板的易更换可能意味着任务成功与关键故障的区别.

跨航空航天及以后应用

虽然航天器是最明显的应用,但模块热屏蔽正在发现高速飞机、工业炉、甚至超音速导弹的用途。

航天器和重返大气层飞行器

重用空间舱,如波音的星际飞船和飞龙号的乘员版本,正在探索模块化的TPS设计。 美国航天局的猎户座航天器主要任务使用单层AVCOAT热屏蔽,但正在研究模块化替代品以减少以后飞行的成本。 欧洲航天局的太空骑手计划正在开发一种可重用轨道飞行器,其模块化陶瓷瓦式TPS类似于航天飞机,但带有现代附属系统。

例:[] NASA热盾研究[页详细介绍了为未来火星着陆器进行模块热保护的工作,其中不同的大气密度需要适应性TPS配置.

超音速飞机和导弹

SR-72(概念)或超音速巡航导弹等高速车辆在延长的时间内经历极端热载. 模块板允许根据任务剖面快速重组TPS,损坏的板可以更换而无需将整台车辆停用. U.S. Defense Department [ 已经投资了下一代超音速系统的模块化陶瓷矩阵复合板.

工业高温应用

航空航天系统之外,模块热盾被用于炉、窑和等离子火炬。 比如,玻璃温炉往往采用相互交错的陶瓷板,损坏时可以单独更换。 同样的原则也适用:降低停电时间、降低成本和方便检查。 从航空航天系统到工业的这种跨波波势正在增长。

未来发展和持续研究

模块热盾的未来位于三个关键领域:先进材料、智能附件和空间制造。

高级材料

研究人员正在开发比现时材料更轻、更坚固、更耐氧化的新陶瓷基质复合材料(CMC),例如碳化硅纤维强化碳化硅(SiC/SiC)复合材料在比传统碳碳复合材料更高的温度下可以运行,这些材料可以被模制成具有整体附件点的精确模块形状,从而减少对单独的金属粘合剂的需求。

智能附件系统

机械紧固器被磁性或静电性附加机制所取代,这些机制允许无工具的机器人替换。 这对水银物流尤为重要,因为人类劳动力稀缺。 机器人臂理论上可以自动交换受损的热屏蔽瓦,以机器视觉和热感应器为导线。

空间添加剂制造

另一个前沿是制造轨道或其他行星表面的更换模块。 未来生境和车辆利用3D打印当地Regolith或再生材料,可以按需生产备用热屏蔽瓦。 美国航天局的In-Situ资源利用研究正在探索火星飞行任务的这一概念。

结论

模块热屏蔽设计不仅仅是一种渐进的改进,它们代表着我们如何对待高性能航空航天器的热防护的范式转变。 通过更方便的维护、更低的成本和更大的设计灵活性,模块系统正在成为新的可重复使用的航天器、超音速飞行器甚至工业应用的标准。 随着材料科学和附加技术的不断进步,我们可以期望这些系统变得更加强大和适应性,确保下一代航天器能够比以往更频繁、安全和经济地飞行。

对于对更深的技术潜水感兴趣的人来说,欧洲航天局的热保护门户为当前的研究提供了极佳的资源。 此外,像 SpaceX这样的业界领袖也发表了关于他们为星舰开发模块瓦片的详细更新,提供了模块热屏蔽执行的实世界案例研究。