ORNL与Sierra Space联合开发新型C/SiC热防护系统（TPS）用于可重复使用的航天器

CMC瓦片将用于Sierra Space的DC100 "追梦者"航天飞机，该飞机将为NASA国际空间站（ISS）运输关键物资和科学实验。

Sierra Space DC100 Dream Chaser是一款带翼商用太空飞机。来源 | Sierra Space

美国能源部（DOE）下属的橡树岭国家实验室（ORNL，位于美国田纳西州橡树岭）与Sierra Space公司（位于美国科罗拉多州路易斯维尔）的研究人员联合开发了一种新型碳纤维增强碳化硅（C/SiC）陶瓷基复合材料（CMC）热防护系统（TPS），专为可重复使用的商业航天器设计。该热防护系统由瓦片表面层和绝热背衬组成，安装于航天器后，能够承受多次发射以及大气层再入时的极高温度，并具备在短时间内重复使用的能力。

热防护系统（TPS）复合材料将 SiC 基体的高温和腐蚀稳定性与碳纤维增强材料的高强度和高温一致性相结合。这两种材料组合成低密度、低轮廓的复合隔热层，这对于提供绝缘保护和稳定的飞行动力学至关重要。 

ORNL 首席研究员格雷格-拉森（Greg Larsen）表示："保持一致的外模线对重复使用性非常重要。它能保持空气动力学性能不变，使飞行器按设计飞行"。

拉森解释说，这种瓦片的特性将有助于在多次飞行中保持气动表面，因为它可以抵抗因暴露在极端高温下而导致的尺寸和形状变化。热防护系统（TPS）材料的轻质还有助于最大限度地增加可用的商业有效载荷和飞行器内部容积。

该团队利用 30 年来从 NASA 的航天飞机计划中吸取的经验教训来开发TPS。NASA 航天飞机轨道器的 TPS 于 1981 年首次使用，至今仍被认为是航天器最先进的热防护技术。该设计要求每架航天飞机安装超过 24,000 块 6 × 6 英寸的瓦片，以精确匹配航天器下部表面的某个位置。这些瓦片的成型过程非常耗费人力，需要将水和化学物质倒入模具中，并在高达 2350°C 的温度下烧结混合，以形成最终形状。技术人员使用一种特殊的粘合剂将各个瓦片粘贴到每架轨道器的外壳上。 

拉森表示，虽然 NASA 的计划平均每年发射近五次，但如今商业太空飞行的速度正在加快。“实现由快速着陆到发射周转时间驱动的飞行节奏的关键是热防护系统（TPS） 的可重复使用性，”他说。“我们正在探索的材料将推动可重复使用性的发展，这直接为供应商接入太空领域提供了商业可行性。”

ORNL 和 Sierra Space 已完成该项目的第一阶段材料开发，并已联合申请该新型材料的专利。项目的第二阶段将重点开发一种能生产绝缘瓦衬底的增强制造工艺。

Sierra Space公司计划在Sierra Space公司的 "追梦者"（Dream Chaser）上使用新的TPS，"追梦者 "是一种带翼商业航天飞机。多任务太空飞机机队旨在将机组人员和货物运送到低地球轨道。该公司计划在 DC100 "追梦者 "上使用 TPS，根据美国国家航空航天局（NASA）的商业补给服务合同，DC100 "追梦者 "将运送关键物资和科学实验，往返于国际空间站（ISS）。

热防护系统（TPS） 研究正在位于 ORNL 的 DOE 制造示范设施 (MF) 中进行。制造示范设施由能源部先进材料和制造技术办公室支持，是一个全国性的合作联盟，与 ORNL 合作创新、激励和促进美国制造业的转型。