新型高速飞行器（如可重复使用天地往返运输系统、飞船返回舱、近空间高超声速飞行器等）在穿越或飞行于大气层过程中表面受到强气动加热的作用，温度可达1327～2727℃甚至更高，因此对飞行器表面热防护系统提出异常苛刻的要求，同时高速飞行器表面不同部位在往返过程中将承受不同的热腐蚀环境，其表面须采用不同功能的热防护材料。其鼻锥、前缘、垂尾等部位采用的是高温/超高温防热材料，而飞行器表面其它部位则主要采用可重复使用的非烧蚀防隔热材料，外加热防护涂层。于是，热防护涂层成为了防隔热材料能否成功运用于飞行器外部防隔热的关键环节，它解决了防隔热材料在高温环境下的抗冲蚀、抗热裂、辐射和抗氧化等瓶颈问题。
 

新型高速飞行器

 

 

   非烧蚀防隔热层可分为刚性隔热瓦和柔性隔热毡。刚性隔热瓦表面经历了RCG、TUFI、HETC为代表的３代涂层发展历程，而柔性隔热毡表面热防护涂层也经历了DC92、D-9、PCC三代涂层的演变。在这些涂层的研发过程中，不断提高耐温性和辐射率成为了科研者一直追求的目标，通过不断的创新和努力，新一代涂层HETC的耐温性被提高到1600℃以上，而辐射率被提高到0.9以上。表１给出了不同非烧蚀防隔热材料表面热防护涂层的基本信息。

表１ 不同非烧蚀防隔热材料表面热防护涂层

  美国航天飞机挑战者号、X-34、X43A、X-51A高速飞行器表面非烧蚀防隔热材料的应用分布情况如下图所示。

美国挑战者号、X-34高速飞行器表面热防护材料应用

 

   刚性隔热瓦是高速飞行器迎风面主要采用的热防护材料，经过多年研制，刚性隔热瓦由一元朝多元材料体系发展，通过结构上的组合成功实现了多元体系两元结构的防隔热一体化设计，其典型代表有：LI（Lock heed insulation）、FRCI（Fibrous refractory composite insulation）、AETB（Alumina enhanced thermal barrier）、BRI（Boeing reusable insulation）几代陶瓷纤维隔热瓦以及新型防隔热一体化材TUFROC（Toughened  uni-piece fibrous reinforced oxidization-resistant composite）。

 

刚性隔热瓦表面热防护涂层也分别经历了：RCG（Reaction cured glass）、TUFI（Tougheneduni-piece fibrous）、HETC（High efficency tantalum based ceramic composite structures）三代涂层的升级改进。
 

 

 

 

   最早由美国宇航局James.C Fletcher提出，该涂层由阻挡内层和辐射玻璃外层组成，内层为SiO2，其作用是将辐射玻璃层和基体材料分开，防止二者可能发生的反应，另外它也可以很好地匹配基底材料的热膨胀系数，使整体材料具有很好的抗热震性。其外层由难溶辐射剂（SiC、CrO2   CoO2  NiO2  Si3N4   CrO2等其中一种或几种）、高硅玻璃和硼硅酸盐玻璃组成，使涂层拥有高硬度、极高的辐射率以及抗热震裂纹性能。

 

 

   该涂层是美国航天飞机刚性陶瓷瓦上首次得到使用的高辐射率涂层，它成功地被运用在LI-2200、LI-900等第一代陶瓷隔热瓦上。RCG采用SiB4作为辐射剂，以特别制备的高硅玻璃粉和硼硅酸盐玻璃粉为粘结剂。最终使涂层具有低的热膨胀系数、高的力学强度和高的辐射率等优异性能，具有较高的抗热冲击强度和表面硬度，其高温下的流动性可以很好地使涂层达到高温自愈合的作用，且可在1480℃高温下成功实现抗氧化。

 

 

   TUFI涂层被成功运用到FRCI、AETB、BRI为代表的陶瓷隔热瓦上。以高温结构材料MoSi2作为辐射剂，以硼硅酸盐玻璃作为粘结剂，以SiB6作为烧结助剂，使涂层具有高的熔点、极好的高温抗氧化性。

 

 

   主要由MoSi2和MoB2组成，可以在低温下流动，且可以起到抗氧化作用。钼基涂层的熔点在1949℃左右，软化点在1593～1649℃，这说明钼基涂层具有比硅基涂层更好的耐温性，同时钼基涂层拥有高的辐射率、良好的抗冲击性和抗氧化性。

 

 

   该涂层由硼硅酸盐玻璃作为内层，硅酸盐玻璃（如SiC、HfC等）作为外保护层，再添加一定量的难熔金属相（如Ti、Hf、Zr、Mo、Ni、Ta等及其硅化物，氧化物，硼化物或碳化物等）。掺杂难熔金属相复合材料可以在1650℃下很好地保护基底材料， 起到很好地抵抗腐蚀、潮湿、高温热载荷等作用。

 

 

   2010年美国成功发射并返回的X-37B临近空间飞行器的翼前缘、垂尾等部位首次使用了整体增韧抗氧化复合结构材料TUFROC。其双层结构的内层采用低热导率的AETB或FRCI，其表面涂覆了TUFI涂层，而外层则采用耐高温的ROCCI材料。内层作为过渡层可缓和涂层和基底的热膨胀不匹配，外层起到高辐射抗氧化抗冲刷作用。ROCCI表面涂覆了高效钽基陶瓷复合涂层HETC，中间过渡区域采用成分为TaSi2、MoSi2、WSi2等高辐射剂和含醇盐的有机硅组成的高效粘结剂，这种设计将隔热和防热问题耦合起来研究，真正实现了防隔热一体化的梯度设计理念。

 

 

   柔性隔热毡主要有FRSI、AFRSI、LHB、HHB、TABI、CFBI、CRI、OFI，被广泛运用在飞行器机身表面大部分面积，如上翼、尾翼侧面，升降舵辅助翼，刹车装置中，如美国OV-099航天飞机。

 
美国OV-099航天飞机柔性隔热毡表面涂层应用

   其发展历程包括：

 

   该涂层由50%～55%的胶态硅溶胶和45%～50%的石英陶瓷颗粒组成。其中石英陶瓷颗粒作为增强相，胶态硅溶胶作为粘结剂，另外为了判断涂层涂覆情况， SiB4作颜料剂，通过气相沉积混合气体方式制备疏水涂层表面，可运用到柔性隔热毡FRSI刚性隔热瓦LI-900和FRCI上。

 

 

   该涂层由胶态的硅溶胶和不定形的SiC或SiB6组成，以异丙醇为溶剂，它具有低的热膨胀系数，耐高温性和抗热震性能相比DC92提高。

 

 

   该涂层以氧化硅粉末和胶态的硅溶胶为混合物，以六硼化硅、四硼化硅、碳化硅、二硅化钼、二硅化钨、氧化锆中的一种或几种为辐射剂。高比表面积凝胶粒子与大尺寸SiO2和硼化硅粘附在一起形成一个整体，使涂层粘度和热稳定性相对于RCG、C-9增加，六硼化硅在加热过程中在硼硅酸盐玻璃表面慢慢发生氧化形成表面薄膜，阻止涂层表面的挥发和进一步氧化。PCC不仅能耐受1650℃高温条件，同时具有高辐射率、高粘性和高稳定性、低表面能等诸多优点。