空天系列报告三:隔热材料:火箭热防护核心之盾,耗材属性打开长期需求.pdf

海外Starship V2版本已多次重点试验隔热材料,V3发射在即,隔热材料或将仍为重点。StarshipV2版本11次试验8次重点测试或分析,可见隔热材料对Starship发射成功较为重要。Starship V3版本或即将发射,本次试验将验证轨道级再入,隔热材料或为重点考核方向。
隔热材料市场空间广阔且耗材属性明显。我们预计,Starship单发火箭隔热瓦价值量预计900万美元,单次发射隔热瓦损耗约11.7万美元。根据马斯克采访介绍,Starship的最终生产及发射目标,若按照年产10000发火箭以及年发射接近10000次考虑,则仅二级火箭隔热瓦每年分别对应900亿美元及11.7亿美元市场空间。
我国一级火箭可回收进展或更快,陶瓷基涂层及陶瓷基复材或率先受益。我国现阶段火箭可回收试验以一级火箭试验为主。我们认为,一级可回收火箭或无需多层隔热防护,但火箭外表面及发动机仍需陶瓷基材料进行隔热,陶瓷基复材相关产业链将更快受益。若发展至二级/全舰可回收,则陶瓷瓦、隔热毡等全系列隔热材料均将受益。
风险提示:技术发展不及预期风险、需求不及预期风险、数据测算误差风险。

8UBLAN IRSHENG SE
1.1隔热材料:商业航天热防护的命脉所在
随着商业航天发展,航空航天飞行器的设计与制造日益受到关注,热防护能力为关键技术。作为工业技术的巅峰之作,航空航天飞行器的研发度远超普通飞机。并且面临着更多挑战——提升航空航天飞行器的热防护能力便是其中之一。
航航航天飞行器的最大飞行速度可达5马赫以上,带来了极为严峻的热环境挑战,TPS系统保障火箭可回收。高速飞行产生的气动加热会导致飞器器表面温度急剧升高。如NASA在设计航天飞机时,表面温度可达1600℃以上,此足以熔化或浇膜大多数材料,热防护系统(ThermalProtectionSystem,TPS),是确保火箭回收的核心关键技术。

1.2三类方案筑牢航天隔热壁垒
·近年来,热防护系统根据其工作原理可分为
三类:被动式、半被动式和主动式。
√被动式方案:如烧蚀防护,依靠材料自身特性
实现热防护,主要包括热结构、热沉结构和隔热结构,通过材料的热吸收与辐射特性来耗散热量。
√主动式方案:如耐热瓦片,则利用外部冷却介
质主动带走热量,主要形式包括对流冷却、薄膜冷却、发汗冷却等。
√半被动式方案:结合了被动式与主动式的特
点,主要包含热管结构和烧蚀结构。
·材料的选择往往需要考虑多重因素,核心为
烧蚀性能与隔热性能,此外材料还需拥有良好的力学性能,结构轻量化也是热防护系统设计的核心原则之一。高温隔热材料在火箭回收、火箭发射等多个环节起核心作用。
√火箭外表面:隔热瓦瓦片在SpaceX的星舰二级火箭上扮演着至关
重要的角色,瓦片通过六边形瓦状设计,不仅提供热防护,还能分散应力,增加结构强度,防止飞船内部结构过热和损坏。
√火箭发射架:火箭点火发射的刹那,温度高达两千多摄氏度,发
射平台要承受高温和强热流冲刷,需要隔热材料抵挡。
√火箭内部:以长征五号火箭为例,其发动机的燃气管路具有工作
温度高、空间狭小、结构复杂等特点,其在工作中产生的大量余热,使用隔热材料能够将多余的热能有效地限制在管路内,从而保证发动机正常运转。
√载人飞船返回舱:返回舱在返回地面的过程中,温度高达
1500℃,隔热层在发生熔化、蒸发、分解等物理和化学变化时,也会带走大量的热;另一部分发生碳化,并在舱体表面形成牢固碳层,阻隔大量的热。

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