摘要
以复合材料气瓶热防护材料的耐高温及隔热性能为研究对象，通过真空舱模拟上面级飞行段的真空环境，采用石英灯阵模拟热源，对两种热防护方案开展真空热试验，分析了不同材料（组合）、多层隔热组件不同单元的隔热性能及其差异产生的原因。结果表明两种防热方案都可使气瓶壁面温度满足不超过70 ℃的温度要求，其中“柔性隔热毡+中温多层”组合防热结构的耐温和隔热性能更优，并通过理论计算与试验值对比验证了热仿真计算中的不确定性，试验结果可为后续型号防热设计提供参考。
某型上面级复合材料气瓶受到姿控发动机长时间大羽流影响，热环境非常恶劣，为保证气瓶壁面最高温度不超过70 ℃，需要对其进行热防护。目前，针对发动机高温热源辐射加热、羽流热流影响的热防护主要采用由金属箔（镍或钛）和高硅氧布/硅酸铝纤维纸组成的高温多层隔热组件（简称“高温多层”）或无碱玻璃纤维带、石英纤维、镀铝薄膜等柔性防热材料，如张
地面热试验是一种对材料隔热性能进行考核的有效途
本文以复合材料气瓶热防护材料的耐高温及隔热性能为研究对象，通过真空舱模拟上面级飞行段的真空环境，采用石英灯阵模拟热源，对两种热防护方案开展热试验，以期准确获取防隔热材料的隔热性能，验证热防护设计的正确性，减少热防护设计中的不确定性以优化设计，同时为后续型号热防护设计提供参考。
柔性隔热材料是目前航天器热防护系统中使用较多的一种隔热材料，第二代柔性隔热材料由石英纤维棉夹在编织好的石英纤维布中缝制而
多层隔热材料（Multi-layer insulation，MLI），简称“多层”，由高反射率的反射屏和低热导率的间隔层交替组
针对受姿控发动机大羽流影响的上面级复合材料气瓶，既要求热防护装置隔热效果好、使用温度高，还要求热防护材料质轻、厚度薄、成本低、安装方便，因此，可以考虑采用柔性隔热毡和“柔性隔热毡+中温多层”组合结构两种防热方案。其中，“柔性隔热毡+中温多层”的组合防热结构是先利用一定厚度的柔性隔热毡将背面温度（简称“背温”）降至中温多层的耐温范围，再利用多层良好的隔热性能控制气瓶表面温度满足要求。
真空热试验设备主要包括如
（a） 真空舱
（b） 石英灯阵及反射器
图1 试验设备示意
Fig.1 Schematic diagram of test facilities
试验采用两种防热装置：（1）15 mm厚的柔性隔热毡；（2）外侧8 mm厚的柔性隔热毡+内侧5单元的中温多层，分别包覆于两个气瓶的半圆柱段外表面（
图2 气瓶包覆防热装置状态
Fig.2 Status of gas cylinder with heat-proof materials cladding
根据羽流分析结果选取3个试验工况，热流密度分别为15、30和45 kW/
图3 试验件和设备布置
Fig.3 Placement of test apparatus
试验温度测点设置见
图4 温度测点设置
Fig.4 Point setting for the temperature measurement
为了比较两种防热方案耐高温和隔热性能的差异，同时对这两种防热装置进行3个工况的热试验，气瓶及防热装置表面最高温度统计见
图5 两种防热装置耐温和隔热性能测试
Fig.5 Temperature variations of two species thermal protection sets
为了分析多层不同单元间的温度传递和隔热性能的差异，3个工况下防热装置2多层各单元温度试验结果如
（a） 工况1（15 kW/
（b） 工况2（30 kW/
（c） 工况3（45 kW/
图6 多层各单元隔热性能测试
Fig.6 Temperature variations of MLI
将热分析计算结果与试验结果进行比较分析，以气瓶1和防热装置1受到30 kW/
（a） 气瓶1和防热装置1（30 kW/
（b） 气瓶2和防热装置2（45 kW/
图7 计算值与试验值对比
Fig.7 Comparison between analytical and experimental results
（1） 柔性隔热毡外表面温度计算值比试验值响应更快，这是由于热分析模型中热流瞬时直接加载于防热装置表面，使得瞬时热响应快，而试验中热流作用在防热装置表面相对是一个缓变过程，此外，测量用热电偶也有一定的响应时间。
（2） 防热装置1外表面末时刻温度计算值比试验值高约7 ℃，防热装置2外表面末时刻温度计算值比试验值高约15 ℃，造成差异的原因主要是计算热模型中柔性隔热材料表面热物性参数（包括密度、比热容、红外发射率等）按推荐数值选取，与实际可能存在不一致。
（3） 气瓶1壁面末时刻温度计算值比试验值高约2 ℃，气瓶2壁面末时刻温度计算值比试验值低约7 ℃，究其引起偏差的原因，一是计算所用的气瓶和多层表面热物性参数是同类材料的推荐数值，与具体试验用产品材料可能存在一些差别；二是计算所用热模型中各结构件之间（如柔性隔热毡与气瓶、柔性隔热毡与多层、多层与气瓶）的热导率、接触传热系数等均根据工程经验选取，与实际存在一定的差异。
热分析计算结果与试验结果的差异，也充分验证了热防护设计仿真中的不确定性。
本文通过真空热试验对柔性隔热毡和“柔性隔热毡+中温多层”组合两种防热结构的隔热性能进行了研究，得到以下结论：
（1） 采用柔性隔热毡和“柔性隔热毡+中温多层”组合两种防热方案，15、30和45 kW/
（2） 大量级热流作用下更能体现多层的良好隔热性能，且多层隔热性能由外向内随着单元数的递增呈非线性逐渐下降趋势；
（3） 不同厚度和组成的热防护材料缺乏准确的热物性参数、热模型中不同结构件之间缺乏准确的热导率和接触传热系数，以及热模型中热流加载的实际响应速度等都给热防护设计带来了一定程度的不确定性。
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