太空中的陶瓷：从可重复使用的隔热罩到隐形斗篷

几千年来，陶瓷被用来创造艺术和各种菜肴。今天，我们可以使用它们来制作超锋利耐用的刀具，使它们的高科技钢对应物看起来像古代遗物。从生活经验中，我们也知道陶瓷不能很好地应对突然作用于它们的强力 .例如，以每秒几米的速度撞击他们的地板。

陶瓷固有的脆性 是它们不适合作为结构材料的主要原因 对于大多数应用程序。然而，陶瓷确实在许多高度具体的方面脱颖而出 ，尤其是在高温和化学稳定性方面 .在本文中，我们探讨了陶瓷在航天器中的关键作用 以及它们如何挽救金属动摇的一天。

设计最有效的热保护系统

航天器中陶瓷最常见的用例之一是作为热保护系统的一部分 .要了解为什么陶瓷材料是此应用的理想候选材料，请务必仔细研究不同的散热机制 .

当航天器以轨道速度进入任何类型的大气层时，它会经历显着的表面加热 通过大气阻力 .这甚至适用于相对稀薄的火星大气层，它只有地球大气密度的 1%。 航天器吸收的热量可以采取两种方式 ：可以辐射到环境中，也可以传导到航天器内部，如图1所示。

图1：绝缘航天器表面加热示意图[1]。

辐射 这将是航天器设计者摆脱吸收热量的有利方式，因为环境几乎不受辐射热的影响，而如果积聚过多热量，航天器可能会解体和/或融化 在进入阶段。

然而，辐射效率与表面温度的四次方有关。这意味着它对于大多数材料可以舒适处理的表面温度几乎没有任何作用，但在 ~1000 K 的温度下成为主要的热传递/冷却机制 .您可能对这个温度范围很熟悉，因为几乎所有的固体材料都开始在此处发出明显的红色光 [2].

特殊涂层是关键

将热量传导到航天器中是处理表面加热的不太有利的方式 由于航天器内所有使用材料的温度限制。在材料限制之前，航天器只能吸收这么多热量 超过并可能发生灾难性故障 .

工程师提出了一种智能解决方案，该解决方案同时利用了两种传热机制 .例如，航天飞机轨道器的受热表面覆盖着良好的隔热材料 ，即二氧化硅（二氧化硅）。此外，该材料还涂有黑色硼硅酸盐涂层，以最大限度地提高表面的辐射发射特性。这样，高达 95% 的热量会立即散去 ，只剩下5%的热量被瓷砖内部吸收。

航天飞机轨道器的整个下表面都覆盖着这些黑色瓷砖 ，由体积含量仅为 6% 的二氧化硅纤维系统组成。 剩余体积充满空气 .每块瓷砖都标有识别号，以确保在其独特的位置进行正确的维护和组装。瓷砖用硅橡胶“胶水”粘合到下面的铝结构上。

其他热保护系统，例如磨料系统 ，也使用绝缘材料，这些材料故意被过热侵蚀 .根据设计，磨料系统在需要完全更换之前只能使用一次。相比之下，二氧化硅砖是可重复使用的，尽管它们令人印象深刻的峰值服务在再入阶段的温度约为 1900 K .

适用于特别受热的区域 ，就像空气动力学结构的前缘一样，隔热可能不足 ，需要主动冷却。在这种情况下，没有绝缘陶瓷层，而是使用了相对较薄的导热材料。

这个原理类似于主燃烧室的冷却 在航天飞机主发动机中，我们之前的文章太空中的金属：高温合金如何改变火箭格局中对此进行了详细描述 .此外，埃隆马斯克正计划在新设计的飞船星际飞船的整个迎风面使用不锈钢主动冷却。

进入大气阶段并不是航天器受到大量表面加热的唯一运行阶段。 只是在太空中暴露在阳光下 可以快速提高表面温度高达约 500 K .

与此相反，航天飞机轨道器由相同的二氧化硅瓷砖保护，使用白色涂层，由二氧化硅化合物和氧化铝的混合物组成 [4]，以最大限度地提高表面反射率 并且只吸收入射太阳能通量的一小部分。

高反射航天器的缺点

在某些情况下，航天器的反射率可能存在问题 .就在最近，SpaceX 收到了有关其卫星干扰天文学家观测的严重投诉 [5]。

SpaceX 的 Starlink 卫星正在天空中制造人造星群，天文学家担心这会干扰他们的数据计算并污染夜空。

光学反射率 Starlink 卫星的整体设计并未考虑。然而，SpaceX 承认了这个缺陷 并通过在面向地球的一侧积极寻求解决方案 的卫星[6]。

这种涂层会强烈影响卫星的热性能，因为地球发射和反射的光也可以作为主要的热源 这需要在整个系统中加以考虑。因此，这不是一个简单的更改，而是需要仔细设计并通过反复试验进行验证。

对电磁波吸收材料的研究可以追溯到二战时期，当时德国人面对盟军首个非常成功的雷达系统。这项研究产生了一种基于铁氧体的涂料 ，可以认为是第一种人工制造的雷达吸收材料 [7].

如今，出于战略原因，在某些情况下需要抑制卫星的雷达信号，从而使它们免受敌人探测系统的影响。但是，选择应用雷达吸收技术的卫星运营商 需要特别注意确保他们的卫星不会助长日益严重的空间碎片问题 服务结束后在地球轨道上，因为它们更难找到和移除。

为什么必须使用多功能材料/复合材料

从以上考虑可以看出，卫星等航天器是高度复杂的系统，嵌入在我们所知道的最苛刻的环境之一中 .外部卫星结构经历的最严重恶化通常与表面侵蚀有关 源自紫外线照射 在太空中和受到原子氧的轰击 [8]，除了严重的热循环 ，取决于它们的轨道特征 .

卫星是嵌入在我们所知道的最苛刻环境之一中的高度复杂的系统。

卫星的最外层 是与环境的所有热相互作用的定义表面。如果它仅针对一个目的进行优化，例如以最小化电磁反射率 ，标称功能所需的其他特性，例如用于冷却的特定表面发射率 或防止微陨石撞击 卫星的碎片可能会丢失。 因此，最外层必须满足多种功能和要求。

图3：不同材料的热稳定性[9]。

多层碳基陶瓷 已被证明是实现多功能、轻质和坚固的航天器外壳的有效材料。图 3 显示了如何碳纤维增强碳 （碳/碳或 C/C）在大温度范围内提供高热稳定性。 C/C组件可以采用化学气相渗透工艺制造。

真正的隐形斗篷

将对象隐藏在空间中似乎很简单，只需将其着色为与背景相同的方式 :黑色 .然而，即使是吸收所有可见光的物体也可以完美反射其他波长的电磁辐射，例如微波 .
C/C 提供的卓越热保护可以与添加多壁碳纳米管的环氧树脂基体的电磁波吸收特性相结合 .正如 Wade Lanning 在这篇文章中所描述的，碳纳米管不仅具有增加电磁波吸收的潜力，而且还可以用于制造超强纳米材料。

图 4：立方体卫星 (CubeSat) 的图像及其热保护系统的示意图。 C/C与吸收电磁辐射的屏蔽多层相结合[8]。

图 4 所示屏蔽多层的外层，碳纳米管含量高达 1.5%，提供出色的微波吸收特性 ，充当隐形斗篷 为卫星。使用机器学习方法优化各个层的厚度及其组成 ，遵循材料科学的最新趋势。

如您所见，需要尖端材料和多功能复合材料的应用才能承受苛刻的太空环境 .

无论航天器在地球上的设计和测试有多好，在其功能和意外影响方面都会出现一些惊喜 正如 SpaceX 和他们的 Starlink 卫星星座所显示的那样，在轨道上仍然可以遇到。 陶瓷材料、复合材料和涂料 提供非常理想的特性，如长期稳定性和热保护，开启先进太空探索的新时代。