ORNL和Sierra Space为可重复使用的太空飞行器开发新型C/SiC TPS

美国能源部 (DOE) 橡树岭国家实验室(ORNL，美国田纳西州橡树岭) 和Sierra Space Corp.  (美国科罗拉多州路易斯维尔) 的研究人员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) 热保护系统 (TPS)，适用于可重复使用的商业航天器。TPS 由瓦片表面和绝缘瓦片背衬组成，安装在航天器上后，将能够承受多次发射和短时间内重返大气层的极高温度。 

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 Greg Larsen 表示：“保持一致的外模线对于可重复使用性非常重要”，他指的是需要光滑的外表面。“它保持空气动力学不变，使飞行器能够按照设计飞行。” 

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。TPS 材料的重量轻，也将有助于最大限度地提高可用的商业有效载荷和内部车辆体积。 

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 英寸的瓷砖，以精确匹配航天器下部表面的某个位置。这些瓷砖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，然后在高达 2350°C 的温度下烧结混合物以形成最终形状。技术人员使用一种特殊的粘合剂将各个瓷砖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 TPS 的可重复使用性，”他说。“我们正在探索的材料将突破可重复使用的界限，这直接转化为太空接入提供商的商业可行性。”

ORNL 和 Sierra Space 已完成该项目的第一阶段材料开发，并联合申请了该新型材料的专利。该项目的第二阶段将专注于开发一种生产绝缘瓷砖背衬的增强型制造工艺。

Sierra Space 计划将新的 TPS 用于 Sierra Space Dream Chaser，这是一种带翼商业太空飞机。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。该公司计划将 TPS 用于 DC100 Dream Chaser  ，该飞机将根据 NASA 商业补给服务合同运送重要物资和科学实验往返国际空间站 (ISS)。

TPS 研究正在美国能源部位于 ORNL 的制造示范设施 (MF) 进行。MDF 由美国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者联盟，与 ORNL 合作创新、启发和催化美国制造业的转型。