马斯克SpaceX星舰热防护系统结构的隔

先说结论:

根据我们的初步分析认为,到目前为止,马斯克的SpaceX星舰热防护系统经历了以下三个阶段:

(1)碳纤维结构+发汗冷却。

(2)不锈钢结构+发汗冷却。

(3)不锈钢结构+发汗冷却+隔热瓦。

对于第一阶段的碳纤维结构,还未涉及到热防护问题,仅通过加压测试中的爆开就证明了碳纤维方案的不可取性,。

对于第二阶段的不锈钢结构,马斯克曾在年1月25日推送了采用火焰喷射器对不锈钢隔热罩考核试验过程的短视频。虽然不锈钢夹层结构通过了各种测试,并具有巨大的成本优势,但仅依靠几毫米厚的不锈钢和发汗冷却技术,还是难以适应回收过程中严酷的高温气动热环境。

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视频:年1月25日马斯克推送的℃最高表面温度时的不锈钢隔热罩高温性能试验

为了解决不锈钢结构的隔热问题,自然就考虑在不锈钢外壁上增加隔热瓦。有关隔热瓦的研究,马斯克曾在年3月17日的推特上发布了短视频,展示了采用不同火焰喷射器对隔热瓦隔热性能的考核试验过程。

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视频:年3月17日马斯克推送的℃最高表面温度时的隔热瓦高温性能试验

从这两个视频可以看出,马斯克在火焰喷射器和隔热瓦上进行了重大改进,将火焰喷射器的加热能力提高了近℃,隔热瓦的最高耐受温度至少能达到近℃的高温,至于烧蚀性能结果还无从得知。

我们分析,SpaceX星舰热防护系统发展到目前第三阶段,应该采用的是不锈钢结构+发汗冷却+隔热瓦方案。此方案在热防护方面具有以下特点:

(1)隔热瓦作为最外层的最高温度防护,是星舰热防护的第一道保险,需要能完全阻止外部气动热的进入。同时隔热瓦在回收过程中不发生烧蚀和侵蚀。

(2)发汗冷却是星舰热防护的第二道保险,会在隔热瓦脱落或失效后发挥作用,起到主动防热的功效。

(3)内部不锈钢结构是热防护的第三道保险,在经历发汗冷却以及不锈钢自身的耐高温特性,同时会使得对隔热瓦的隔热性能要求降低,使得隔热瓦可以更侧重于保证防烧蚀和侵蚀性能。

总之,SpaceX星舰热防护系统采用这种不锈钢+发汗冷却+隔热瓦的结构,可大幅提高星舰重复使用的安全性和可靠性,完全能够做到马斯克推文中承诺的隔热瓦“零翻新“,星舰在着陆后只需补充燃料和冷却剂就可立即准备好再次飞行。




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