CMC瓦片將用于Sierra Space的DC100 "追夢(mèng)者"航天飛機(jī)，該飛機(jī)將為NASA國(guó)際空間站（ISS）運(yùn)輸關(guān)鍵物資和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

Sierra Space DC100 Dream Chaser是一款帶翼商用太空飛機(jī)。來源 | Sierra Space

美國(guó)能源部（DOE）下屬的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL，位于美國(guó)田納西州橡樹嶺）與Sierra Space公司（位于美國(guó)科羅拉多州路易斯維爾）的研究人員聯(lián)合開發(fā)了一種新型碳纖維增強(qiáng)碳化硅（C/SiC）陶瓷基復(fù)合材料（CMC）熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS），專為可重復(fù)使用的商業(yè)航天器設(shè)計(jì)。該熱防護(hù)系統(tǒng)由瓦片表面層和絕熱背襯組成，安裝于航天器后，能夠承受多次發(fā)射以及大氣層再入時(shí)的極高溫度，并具備在短時(shí)間內(nèi)重復(fù)使用的能力。

熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）復(fù)合材料將 SiC 基體的高溫和腐蝕穩(wěn)定性與碳纖維增強(qiáng)材料的高強(qiáng)度和高溫一致性相結(jié)合。這兩種材料組合成低密度、低輪廓的復(fù)合隔熱層，這對(duì)于提供絕緣保護(hù)和穩(wěn)定的飛行動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要。 

ORNL 首席研究員格雷格-拉森（Greg Larsen）表示："保持一致的外模線對(duì)重復(fù)使用性非常重要。它能保持空氣動(dòng)力學(xué)性能不變，使飛行器按設(shè)計(jì)飛行"。

拉森解釋說，這種瓦片的特性將有助于在多次飛行中保持氣動(dòng)表面，因?yàn)樗梢缘挚挂虮┞对跇O端高溫下而導(dǎo)致的尺寸和形狀變化。熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）材料的輕質(zhì)還有助于最大限度地增加可用的商業(yè)有效載荷和飛行器內(nèi)部容積。

該團(tuán)隊(duì)利用 30 年來從 NASA 的航天飛機(jī)計(jì)劃中吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)來開發(fā)TPS。NASA 航天飛機(jī)軌道器的 TPS 于 1981 年首次使用，至今仍被認(rèn)為是航天器最先進(jìn)的熱防護(hù)技術(shù)。該設(shè)計(jì)要求每架航天飛機(jī)安裝超過 24,000 塊 6 × 6 英寸的瓦片，以精確匹配航天器下部表面的某個(gè)位置。這些瓦片的成型過程非常耗費(fèi)人力，需要將水和化學(xué)物質(zhì)倒入模具中，并在高達(dá) 2350°C 的溫度下燒結(jié)混合，以形成最終形狀。技術(shù)人員使用一種特殊的粘合劑將各個(gè)瓦片粘貼到每架軌道器的外殼上。 

拉森表示，雖然 NASA 的計(jì)劃平均每年發(fā)射近五次，但如今商業(yè)太空飛行的速度正在加快。“實(shí)現(xiàn)由快速著陸到發(fā)射周轉(zhuǎn)時(shí)間驅(qū)動(dòng)的飛行節(jié)奏的關(guān)鍵是熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS） 的可重復(fù)使用性，”他說。“我們正在探索的材料將推動(dòng)可重復(fù)使用性的發(fā)展，這直接為供應(yīng)商接入太空領(lǐng)域提供了商業(yè)可行性。”

ORNL 和 Sierra Space 已完成該項(xiàng)目的第一階段材料開發(fā)，并已聯(lián)合申請(qǐng)?jiān)撔滦筒牧系膶＠ｍ?xiàng)目的第二階段將重點(diǎn)開發(fā)一種能生產(chǎn)絕緣瓦襯底的增強(qiáng)制造工藝。

Sierra Space公司計(jì)劃在Sierra Space公司的 "追夢(mèng)者"（Dream Chaser）上使用新的TPS，"追夢(mèng)者 "是一種帶翼商業(yè)航天飛機(jī)。多任務(wù)太空飛機(jī)機(jī)隊(duì)旨在將機(jī)組人員和貨物運(yùn)送到低地球軌道。該公司計(jì)劃在 DC100 "追夢(mèng)者 "上使用 TPS，根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)合同，DC100 "追夢(mèng)者 "將運(yùn)送關(guān)鍵物資和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，往返于國(guó)際空間站（ISS）。

熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS） 研究正在位于 ORNL 的 DOE 制造示范設(shè)施 (MF) 中進(jìn)行。制造示范設(shè)施由能源部先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室支持，是一個(gè)全國(guó)性的合作聯(lián)盟，與 ORNL 合作創(chuàng)新、激勵(lì)和促進(jìn)美國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型。