一种用于航空航天飞行器的高温分层瓦隔热系统的制作方法

一种用于航空航天飞行器的高温分层瓦隔热系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年12月16日提交的申请号为16/716,387的美国专利申请的优先权，该美国专利申请的发明名称为“一种用于航空航天飞行器的高温分层瓦隔热系统”，其全部内容通过引用而被并入本技术。
技术领域
3.本公开所述客体涉及一种分层瓦隔热系统相关的系统和方法。


背景技术：

4.空间飞行器，也被称为航空航天飞行器、航空飞机或航天飞机，可用于将货物和/或人员运送到地球大气层以外的区域，如国际空间站。在穿过地球大气层的初始上升过程中，空间飞行器会受到巨大的机械应力，包括由高频振动产生的应力。到达轨道和从轨道返回所需的飞行轨迹可能会导致巨大的空气动力负荷、振动和加速度，空间飞行器必须能承受所述空气动力负荷、振动和加速度，才能安全地再入地球大气层，并且还能用于未来的使用提。此外，再入地球大气层的空间飞行器必须大幅减缓其可能会导致空间飞行器过热的行进速度。例如，在再入大气层期间，空间飞行器可能会受到3000华氏度以上温度的影响。加热环境还可以沿空间飞行器(例如，空间飞行器的外表面到空间飞行器的内部框架)产生极端的热梯度，例如低于约华氏-130度到高于约华氏3000度的范围。
5.因此，此类空间飞行器的运行需要外部隔热，以保护空间飞行器免受这种极端温度和温度梯度的影响。除热应力之外，这种隔热材料还必须能够承受与发射振动、声学和与空间飞行器外表面有关的任何变化(例如，运动)相关的机械应力，以及空间飞行器进入大气层并着陆所承受的力量。以前用于此类飞行器的分层隔热结构更容易因热负荷和机械负荷而失效，并且包括多种连接机制，因而增加了重量和制造的复杂性，而且难以检查、更换和/或重复使用。


技术实现要素：

6.本公开所述主题的各个方面可包括用于航空航天飞行器的分层瓦隔热系统的各个实施例，以及分层瓦隔热系统的使用和制造方法。
7.在一个方面，描述了空间飞行器的一种分层瓦隔热系统。所述分层瓦隔热系统可以包括至少一个分层瓦。所述至少一个分层瓦的每个分层瓦可以包括外层，该外层具有外表面和与外表面相对的第一互锁表面。所述第一互锁表面可以包括第一组互锁特征。此外，所述每个分层瓦可以包括内层，所述内层具有内表面和与内表面相对的第二互锁表面。所述第二互锁表面可以包括第二组互锁特征。外层可以被配置为与内层耦合，从而形成机械接头。所述机械接头可以包括与第二组互锁特征互锁的第一组互锁特征。
8.在一些实施例中，分层瓦隔热系统可以在机械接头内包括粘合剂，从而在外层和内层之间形成粘合，以协助固定外层相对于内层的位置。在一些实施例中，第一组互锁特征
和第二组互锁特征可以具有互补的燕尾形几何形状。在一些实施例中，在机械接头内以及外层的第一组互锁特征和内层的第二组互锁特征之间可以形成最大约0.010英寸的间隙。在一些实施例中，在不背离本公开的范围(例如，所属领域内所理解的过渡配合和/或过盈配合)的情况下，其他间隙和/或配合可以包括在机械接头中。
9.在一些实施例中，外层可以包括抗氧化的碳复合材料。在一些实施例中，外层可以包括一种在至少约3000华氏度的温度下抗氧化的材料。在一些实施例中，外层可以包括一层或多层强化单体纤维隔热材料(tufi)和高效钽基陶瓷(hetc)。在一些实施例中，内层可以包括强化单体纤维隔热材料和/或高效钽基陶瓷。在一些实施例中，分层瓦隔热系统可以沿着航天器的机头区域、机翼前缘区域和/或飞行控制表面的至少一部分定位。在一些实施例中，分层瓦的形状可以包括至少约10英寸的第一尺寸和至少约10英寸的第二尺寸。
10.在另一个相互关联方面，描述了一种制造用于空间飞行器的分层瓦隔热系统的方法。所述方法可以包括将分层瓦隔热系统的外层与分层瓦隔热系统的内层互锁，以形成机械机头。所述外层可以具有第一组互锁特征，而所述内层可以具有第二组互锁特征。所述机械接头可以包括与第二组互锁特征的互锁第一组互锁特征。
11.在一些实施例中，外层与内层的互锁可以包括将第一组互锁特征与第二组互锁特征对齐，并使外层和内层在相反方向上朝向彼此推进。在一些实施例中，第一组互锁特征和第二组互锁特征可以具有互补的燕尾形几何形状。在一些实施例中，互锁可以包括在所述推进之前，将粘合剂施加在第一组互锁特征和第二组互锁特征中的至少一组上。在一些实施例中，粘合剂可以被配置为当外层的表面温度达到至少3000华氏度时保持局部粘合。
12.在一些实施例中，外层可以包括抗氧化的碳复合材料。在一些实施例中，外层可以包括一种在至少3000华氏度的温度下抗氧化的材料。在一些实施例中，外层可以包括一层或多层强化单体纤维隔热材料和/或高效钽基陶瓷。在一些实施例中，在暴露于超过60g
rms
的声振环境期间，机械接头能够被维持。在一些实施例中，在机械接头内以及外层的第一组互锁特征和内层的第二组互锁特征之间可以形成最大约0.010英寸的间隙。在一些实施例中，在不背离本公开的范围(例如，所属领域内所理解的过渡配合和/或过盈配合)的情况下，其他间隙和/或配合可以包括在机械接头中。
13.在一些实施例中，分层瓦隔热系统可以沿着航天器的机头、机翼前缘区域和/或飞行控制表面的至少一部分定位。在一些实施例中，分层瓦隔热系统的至少一个分层瓦的形状可以包括至少约10英寸的第一尺寸和至少约10英寸的第二尺寸。
14.本公开所述主题的一个或多个变体的细节将在下面附图和以下描述中阐述。本公开所述主题的其它特征和优点将通过描述和附图以及权力要求书变得显而易见。
附图说明
15.被并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开所述主题的某些方面，并且与说明书一起有助于解释与所公开实施方式相关的一些原理。在附图中，
16.图1a是空间飞行器的一个实施例的透视图。
17.图1b是图1a所示空间飞行器的后侧透视图。
18.图2a是图1a所示空间飞行器的分层瓦隔热系统的一部分的一个实施例的分解视图，示出了分层瓦的一个实施例。
19.图2b是图2a所示的分层瓦的截面视图，示出了机械接头。
20.图3是分层瓦另一个实施例的截面视图，包括机械接头内的间隙。
21.在适当的情况下，相似的参考数字表示相似的结构、特征或元件。
具体实施方式
22.本公开描述了分层瓦隔热系统的各种实施例，所述分层瓦隔热系统被配置为可承受振动、高温和极端热梯度。例如，分层瓦隔热系统可以形成或成为空间飞行器的外部保护系统的一部分，以协助保护空间飞行器免受热环境的影响，所述热环境会损害空间飞行器的结构完整性。例如，本技术所述的分层瓦隔热系统可以被配置为承受空间飞行器在离开和/或再入地球大气层期间所经受的机械应力。
23.在一些实施例中，分层瓦隔热系统可以包括至少一个分层瓦。例如，每个分层瓦可以包括外层和内层。在一些实施例中，所述外层可以包括外表面和相对的第一互锁表面。所述内层可以包括内表面和相对的第二互锁表面。第一互锁表面可以包括第一组互锁特征，所述第一组互锁特征包括至少一个互锁特征，并且第二互锁表面可以包括第二组互锁特征，所述第二组互锁特征包括至少一个互锁特征。在一些实施例中，第一组互锁特征和第二组互锁特征具有互补的燕尾形几何形状。因此，外层的互锁表面被配置为与内层的互锁表面耦合以形成机械接头。
24.在一些实施例中，通过第一互锁表面与第二互锁表面的互锁而形成机械接头。在一些实施例中，机械接头具有足够的强度，以便在暴露于声振(vibroacoustic)环境中，以及当温度快速上升至并超过约3000华氏度时产生的热冲击中保持机械接头的强度。在一些实施例中，机械接头在暴露于热、机械和振动声学负荷(例如空间飞行器在脱离和/或再入地球大气层期间所经受的此类负荷)之后，保持至少10psi的抗拉强度。
25.在一些实施例中，机械接头还可以包括陶瓷粘合剂。例如，陶瓷粘合剂可以布置在分层瓦的外层和内层之间，例如在互锁表面上。陶瓷粘合剂可以通过形成局部粘合来为机械接头提供额外的稳定性。例如，当外层的表面温度达到至少约3000华氏度时，陶瓷粘合剂可以保持局部粘合，而不会熔化或干扰局部结合。
26.图1a-1b示出了与本公开所述客体的实施方式相一致的空间飞行器10的一个实施例。如图1a-1b所示，空间飞行器10可以包括机身12，从机身12的相对两侧延伸出来的机翼14a和机翼14b。空间飞行器10还可以包括在机身12的第一端的机头区域16，以及处于机身12的相反的一端的第二端的机尾区域18。机身12可以包括与底面13相对的顶面11，底面13可以包括机翼前缘区域15和机尾区域18的一部分。例如，空间飞行器10的机头区域16、机翼前缘区域15、机尾区域18和飞行控制面(例如，副翼、方向舵、推进器和/或旋转轮)将承受脱离和再入大气层期间时的最大热应力。
27.至少当本公开所述的分层瓦隔热系统被纳入到空间飞行器10的外部保护系统的一部分时，所述分层瓦隔热系统可以提供免受会损害空间飞行器10的结构完整性的热环境的影响。例如，外部保护系统可以沿着机身12的任何部分(例如，机头区域16、机翼前缘区域15和/或机尾区域18)延伸。分层瓦隔热系统的结构完整性可以使其用于各种空间飞行器的任何飞行控制表面。下面将更详细地介绍分层瓦隔热系统的各种实施例。
28.图2a-2b出示了分层瓦隔热系统110的一部分的一个实施例，显示了由外层101和
内层102组成的分层瓦100。例如，外层101可以包括具有至少一个互锁特征的第一互锁表面111，所述互锁特征包括至少一个燕尾状突起105，和至少一个燕尾状凹陷107。例如，至少一个燕尾状凹陷104可以定位成与所述至少一个燕尾状突起105中的每一个相邻，如图2a所示。内层102可以包括具有至少一个互补互锁特征的第二互锁表面112，所述互补互锁特征包括至少一个燕尾状凹陷104，和至少一个燕尾状突起106。例如，至少一个燕尾状凹陷104可以定位成与所述至少一个燕尾状突起106中的每一个相邻，如图2a所示。
29.例如，如图2a和2b所示，内层102的至少一个燕尾状凹陷104可以被配置为与外层101的至少一个燕尾状突起105对齐并互锁，以形成分层瓦100。此外，外层101的至少一个燕尾状凹陷107可以被配置为与内层102的至少一个燕尾状突起106对齐并互锁，以形成分层瓦100。
30.如图2b所示，分层瓦100可以包括机械接头201，所述机械接头通过将外层101的互锁特征与内层102的互锁特征对齐并互锁而形成。机械接头201可以被配置为承受极端的热、振动和结构负荷，例如空间飞行器10在脱离和/或再入地球大气层期间所经受的那些负荷。将机械负荷分布在机械接头201上，可以产生比典型的外部保护系统强得多的接口。因此，所述机械接头可以不需要辅助连接机制，例如，销或突耳。
31.在一些实施例中，分层瓦100可以具有平坦构造(例如，沿单个平面延伸)，如图2a所示。在一些实施例中，分层瓦100可以是弯曲的并且沿半径方向延伸。作为燕尾槽几何形状的补充和/或替代，互锁特征可以包括其他形状和构造。
32.在一些实施例中，外层101和内层102可以被配置成使得外层101和内层102的互锁特征之间不形成空间，从而形成机械接头201，这导致过盈配合(也被称为压力配合或摩擦配合)，如图2b所示。例如，这种过盈配合可以最小化外层101和内层102之间的相对运动和/或减轻环境中的循环偏移(cyclic deflection)。
33.图3出示了包括机械接头201的分层瓦300的另一个实施例，所述机械接头包括外层101的互锁特征和内层102的互锁特征的至少一部分之间的配合间隙或者间隔204。例如，间隔204可以包括互锁的第一互锁特征和第二互锁特征之间大约0.010英寸的距离。在一些实施例中，间隔204可以提供空间以容纳用于形成局部结合的粘合剂，尽管间隔204可以用或不用粘合剂填充。在使用粘合剂的实施例中，间隔204的尺寸可以设计成允许实现期望的粘合剂固化厚度。
34.如图3所示，内层102可以包括至少一个粘合面303a和303b，被配位为在所述表面上施加粘合剂以在内层102和外层101之间形成局部粘合。在一些实施例中，所述粘合剂是一种陶瓷粘合剂。例如，粘合剂可以包括ceramabond
tm
，例如，用二氧化硅改性的ceramabond
tm 569，或其他高温陶瓷粘合剂。额外地和/或可替代性地，在不背离本公开范围的情况下，外层可以包括粘合剂表面。在不背离本公开范围的情况下，可以沿第一互锁表面111和/或第二互锁表面112的任何部分施加粘合剂。
35.在一些实施例中，外层101可以包括抗氧化材料。例如，抗氧化材料可以包括多孔抗氧化碳基复合材料，例如耐火抗氧化陶瓷碳绝缘材料(rocci)。在一些实施例中，可以用强化单体纤维隔热材料(tufi)和高效钽基陶瓷(hetc)使外层101的外表面和/或侧壁进一步致密化，以增强抗氧化性和冲击弹性。额外地和/或可替代性地，可以在外层101的外表面涂覆反应固化玻璃(rcg)或rcg衍生物，以提高稳定性，例如提高在大气层再入环境中的稳
定性。
36.在一些实施例中，外层101的第一互锁表面可以用高效钽基陶瓷或强化单体纤维隔热材料(tufi)进行致密化，以增强机械强度，和/或更好地匹配内层102的热膨胀系数。在一些实施例中，内层102可以包括多孔隔热陶瓷材料。例如，氧化铝增强型热障材料(aetb)、每立方英尺22磅的洛克希德隔热材料(li-2200)、每立方英尺18磅的波音刚性隔热材料(bri-18)，或类似的材料可用于形成内层102。内层102的主要功能可以是绝热，但是可以使用密度相对较高的材料(即每立方英尺大于12磅)，以最大限度地提高内层102与外层101的互锁形成的机械接头。在一些实施例中，可以用高效钽基陶瓷(hetc)或强化单体纤维隔热材料(tufi)使内层102的第二互锁表面致密化，从而例如增强机械强度，和/或更好地匹配外层101的热膨胀系数。在一些实施例中，可以额外地和/或作为可替代方案，用tufi和/或hetc或类似物材料使第二互锁表面致密化，以增强机械接头201中的接触面的强度(如图2b所示)。在一些实施例中，内层102的内表面可以用类似的合适材料致密化以增加耐热震性并增强强度。
37.在一些实施例中，分层瓦100可以具有规则的形状，例如矩形或正方形。在其他实施例中，分层瓦100可以具有不规则形状和/或具有非正交侧壁。例如，分层瓦100的顶部轮廓可以具有第一维度(例如，长度)、第二维度(例如，宽度)和第三维度(例如，厚度)。例如，第一维度和第二维度均可以约为10英寸。在一些实施例中，分层瓦100的长度为5英寸，宽度为5英寸，厚度为5英寸。在一些实施例中，分层瓦100的长度为10英寸，宽度为10英寸，厚度为7英寸。在不背离本公开范围的情况下，分层瓦100可以具有多种形状和尺寸。
38.在分层瓦100的组装过程中，分层瓦隔热系统110的分层瓦100的外层101可以与分层瓦隔热系统110的分层瓦100的内层102互锁，以形成机械接头201。例如，外层101可以具有第一组互锁特征并且内层102可以具有第二组互锁特征，其中机械接头201包括互锁的第一组互锁特征和第二组互锁特征。在一些实施例中，外层101与内层102的互锁可以包括将第一组互锁特征与第二组互锁特征对齐，以使外层101和内层102在相反方向上朝向彼此推进。用于组装分层瓦100的其他方法也在本技术的范围之内。例如，可以将粘合剂施加到内层102和/或外层101的至少一部分，例如在组装分层瓦100之前和/或期间，以在机械接头201中形成局部粘合。
39.在一些实施例中，一旦组装好分层瓦100，可以在组装好的分层瓦100的外模线(oml)处涂覆一层或多层hetc或tufi和一层或多层反应固化玻璃(rcg)或改性rcg。这种组装好的分层瓦100可暴露于约3000华氏度以上的温度和60g
rms
以上的3轴振动环境，并保持10psi以上的抗拉强度(如应用于整个oml表面区域)。
40.由多个分层瓦100组成的分层瓦隔热系统110可以通过简单的证明测试来验证完整性，使得分层瓦100可以在空间飞行器10的多次飞行中安全可靠地重复使用。例如，可以对分层瓦100进行检查，以确保机械接头201和/或粘合剂粘合的完整性。此外，相对于空间飞行器的现有的外部保护系统，分层瓦隔热系统110一些实施例可以减少零件数量、处理时间和复杂性。
41.在以上描述中以及在权利要求书中，可能出现诸如“其中至少一个”或“其中一个或多个”之类的短语，后面跟着一个列表的元素或特征。术语“和/或”还可以出现在两个或更多元素或特征的列表中。除非与使用的上下文存在隐含或明确的矛盾，否则此类短语旨
在表示列出的单独的元素或特征中的任何一个元素或特征，或者与其他描述的任何元素或特征相结合的任何所列元素或特征。例如，短语“a和b中的至少一个”、“a和b中的一个或多个”以及“a和/或b”各自旨在表示“单独的a、单独的b、或a和b一起”。类似的解释也旨适用于包含三个或更多项目的列表。例如，短语“a、b和c中的至少一个”、“a、b和c中的一个或多个”以及“a、b和/或c”各自旨在表示“单独的a、单独的b、单独的c、单独的a和b一起、a和c一起、b和c一起、或a和b和c一起”。上文和权利要求中使用的术语“基于”旨在表示“至少部分基于”，使得未提到的特征或元素也是允许的。
42.应当理解，本公开所述的分层瓦隔热系统110可用于经受高温和/或机械应力的任何系统或装置。
43.上述描述中阐述的实施方式并不代表与本公开所述的客体一致的所有实施方式。相反，这些实施方式仅仅是与所描述客体相关的方面一致的一些示例。尽管本公开已经详细描述了一些变化，但是其它修改或添加是可能的。特别地，除本公开所提供的特征和/或变化外，还可以提供另外的特征和/或变化。例如，上述实现方式可以针对所公开的特征的各种组合和子组合，和/或以上所公开的一个或多个特征的组合和子组合。另外，在附图中所描绘的和/或在本文中所描述的逻辑流不一定要求所示的特定次序或相继的次序来实现合期望的结果。以下权利要求的范围内可以包括其它实施方式或实施例。