在一体化设计中,最复杂的是要使进气道与排气喷管的几何形状,能随飞行速度的变化而变化,以便调节进气量,使发动机在低速时能产生额定推力,而在高速时又可降低耗油量,还要保证进气道有足够的刚度和耐高温性能,以使它在返回再入大气层的过程中,能经受住高速气流和气动力热的作用,这样才不致发生明显变形,才可多次重复使用。
空天飞机需要多次出入大气层,每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热,特别是以高超音速返回再入大气层时,气动加热会使其表面达到极高的温度。机头处温度约为1800℃,机翼和尾翼前缘温度约为1460℃,机身下表面约为980℃,上表面约为760℃。因此,必须有一个重量轻、性能好、能重复使用的防热系统。空天飞机的结构材料要求很高。在飞行时,它头部和机翼前缘的表面温度可达2760℃。这样,像航天飞机上的防热瓦块式外衣,就不再适用了。叶华研制了一种新型复合材料——石墨烯高熵材料来代替,并且在一些特殊部位采用新型冷却发电装置,避免了体内高温的伤害。
空天飞机在起飞上升阶段要经受发动机的冲击力、振动、空气动力等的作用,在返回再入阶段要经受颤振、抖振、起落架摆振等的作用。在这种情况下,防热系统既要保持良好的气动外形,又要能长期重复使用,维护方便,所以对其他国家而言其技术难度是相当大的。
由于受气动加热的时间短,航天飞机表面覆盖氧化硅防热瓦即可达到满意的防热效果,但对空天飞机则远远不够。如果单靠增加防热层厚度来解决问题,则将使重量大大增加,而且防热层还不能被烧坏,否则会影响重复使用。一个较简单的解决办法是在机头、机翼前缘等局部高温区,使用传热效率特别高的石墨烯吸热管来吸热,以便把热量转移到温度较低的部位来发电,也就是把机体结构与防热系统一体化,即把机体结构设计成夹层式或管道式,让推进剂在夹层内或管道内流动,使它吸走空气对结构外表面摩擦所生成的热量产生电能。
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