文档介绍：航天飞机轨道器结构材料和热防护材料
的应用现状一‘
韩鸿硕
经历全部飞行过程和经受各种飞行环境的仅
决犷为载人和装载有效载荷进行各种空间活动的
前口
轨道飞行器, 它也是整个航天飞机系统中最
目前, 航天飞机已成为世界上一种倍受关键的主体部分【一。。
·
重视的新型航天器和航天武器。在美国, 它轨道飞行器在一次飞行循环中不仅要承
已成为整个空间事业的研制重点。, 年, 受像火箭一样垂直发射后的气动加热环境, 一
它成功地进行了第一次水平着陆飞行试验, 而且要经受像飞船一样在空间航行时所遇到
并将于, 年进行第一次垂直发射和载人飞的高真空“毛和温度交变一一
行试验。目前, 苏联也已研制了航天飞机并℃环境, 特别是还要经受再入大气层时
进行了试验「‘一。的极其苛刻的气动加热环境。此外, 当然也
作为一种发射飞行器, 航天飞机将能够要经受在大气层中像普通飞机所遇到的亚音
用于世界各着陆飞行环境。因而要求轨道器结构
划的大部分活动内容。它不仅可以为各种近和热防护系统能够满足上述力学和热环境的
地轨道插入飞行和回收卫星提供低成本运各种要求。另一方面, 装有各种有效载荷包
、、
输, 为建立太阳能空间收集所需要的巨大结括各种卫星空间实验设备大型天文望远
构和进行空间环境零件加工所需要的实验室镜、宇宙探测器等的轨道器, 要被送上一百
。
设备提供必要的便利条件, 而且能够用于侦多公里的高空入轨, 进行各种空间活动运
察、拦击、反导等各种军事目的。送这些有效载荷乃是航天飞机最根本的任
。
航天飞机最大的特点兼优点是可以多次务因此, 为提高有效载荷的重量, 就必须
重复使用, 由此, 它就能数十倍降低发射和有效地降低轨道器本身的重量, 特别是降低
载人航天的成本。正是由于这种重复使用的飞行器结构和热防护系统的重量。所以, 对
特点和需要, 对飞行器的整个外形结构特别于结构系统设计, 要求尽量选用比强度较高
是热防护系统就比以往任何一种一次使用宇的材料, 如铝合金, 特别是各种非金属和金
宙飞行器都提出了更高的要求。目前, 由于属一非金属复合材料对于热防护系统设
美国航天飞机现行方案为半重复使用方案, 计, 也要求轻重量、低成本, 并要求高可靠
仅仅轨道飞行器在入轨和再入后重复使用, 性、重复使用性、易检修和维修性等对于
另有助推器在发射后秒即与轨道器分离密封系统的各种结构和材料也提出热防护、
并回收, 外贮箱则为一次使用。因此, 真正重复使用等特殊要求。
,
辛本文分期连载鉴于上述种种要求美国航宇局和轨道
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飞行器研制的主要承包商洛克威尔国际公司系统以及密封热防护系统的材料的研制和应
、
与数十家研究中心公司厂商签订合同, 不用现状予以概括介绍, 并对近期可能进行的
惜动用巨大资金和大批科研技术人员, 在轨改进和今后动向加以适当评介。
道器结构和热防护系统领域内展开了大规模
。,
研制活动在长达十余年的研制进程中从一、结构系统材料
轨道器的外部形状到内部结构, 从热防护材
料到表面涂层, 从密封设计到密封材料, 几
’“一“、
经改进, 至今已初步定型并制造出两台成一对结构材料的要求
。
品, 以交付飞行试验使用。轨道器外形尺寸见图十轨道器长
本文仅就轨道飞行器结构系统、热防护米, 翼展打米, 净重君吨, 有效载荷重量
,
方向舫裁通饭
有效载荷舱门。林
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图轨道器外形尺寸
吨。航天飞机起飞重量吨。要求不大于℃, 因此材料需在此温度下
、、
鉴于轨道器的外形、尺寸和特性要求, 具有一定的抗拉强度抗压强度抗弯强度、
对该结构系统的基本要求是保证飞行循环抗缺口敏感性和断裂韧性等。特别是应该考
的完成和安全, 提供足够的强度和刚度提虑到显著的温度偏差和热应力以及某些飞行
。
高重量有效性, 以降低对上升推进的要求和阶段的飞行载荷
每次飞行成本, 增加有效载荷的重量保持、具有足够的刚性
在次使用期限内和所经历各种环境下的材料在极限载荷下应具有足够刚性和可
结构完整性。为达到这些目标, 对轨道器各允许的挠曲变形。因而必须考虑到防止颤
种结构材料的主要要求是振、偏离等动