运载火箭是各类航天器的重要载具，是发展与建设航天强国的重要保障。自20世纪50年代以来，世界各国开始大规模地研制各种航天飞行器，其飞行速度明显加快，飞行距离和时间更长。由于气动冲刷加热，飞行器表面温度迅速上升，会降低飞行器结构的强度从而引发故障。对运载火箭而言，卫星整流罩、尾舱侧壁结构、低温贮箱等是其防热的关键部位，针对不同部位表面的防隔热需求，研究人员开展了烧蚀性热防护涂层技术、非烧蚀性热防护涂层技术、低温绝热材料技术等大量研究，一般而言，卫星整流罩和火箭底部分别面临中低、高热流防护需求，均可采用烧蚀性热防护涂层防护，而可重复运载火箭局部采用非烧蚀性热防护涂层防护；液氧贮箱面临超低温隔热的需求，一般需要采用低温绝热材料防护；此外，为适应运载火箭发射场地环境，全箭需要通过表面功能性防护涂层进行防护，见图1。本文将从烧蚀性热防护涂层技术、非烧蚀性热防护材料技术、环境适用性表面涂层技术和低温绝热材料技术等方面综述运载火箭表面防护技术应用现状与发展情况。
图1 运载火箭表面防护需求示意图
1 有机耐烧蚀防热涂层
有机烧蚀防热涂层主要通过自身质量损耗吸收航天器与大气摩擦热量，从而起到保护的作用。有机烧蚀防热涂层的发展历程主要分为4个阶段：1）早期的防热涂层主要采用改性的环氧树脂为基体，引入热分解填料，通过快速加热产生气泡，分布于树脂基体中，从而起到隔热作用[1]；2）20世纪80年代初期，防热涂层采用双酚A环氧树脂，加入氧化铝、硼酸盐等填料，改善涂层的耐热性能；3）此后防热涂料采用烧蚀残炭率更高、耐热性更好的酚醛树脂、硅树脂，使涂层可承受高热流超音速气流冲刷；4）21世纪初通过改性高耐热、耐烧蚀且韧性好的有机硅树脂，获得可在更长时间、更高马赫数气流冲击下服役的防热涂层[2-3]。
目前有机轻质防热涂层主要分两类，一类是以环氧树脂或改性环氧为树脂基体的碳基轻质防热涂料，以环氧树脂或改性环氧为树脂基体的碳基轻质防热涂料烧蚀速度更快，但碳硅基轻质防热涂料的韧性较差，具有易发生膨胀开裂及与基材脱粘等缺点，不适合长时服役。另一类是以硅橡胶为树脂基体的硅基轻质防热涂料，主要通过热阻隔机制进行热防护，烧蚀效率低，而且在极端热环境下，只能通过增加自身厚度的方法来实现热防护，导致防热结构明显超重。下面将从以下两类涂层展开介绍。
1.1 环氧类烧蚀防热涂层
早期利用水云母等填充热固性树脂制备环氧类烧蚀防热涂层，之后以耐热纤维、空心微珠等填充耐热树脂，并采用喷涂成型方法制备低密度的防热涂层[4-9]。目前，国外已经研制出常温固化、力学性能良好的防热涂层，可用于航天飞机、发动机尾喷管、导弹外壁及发射箱内壁[10-13]，最高满足1200℃的恶劣工况。例如，美国Bahattab等[14]将碳纳米材料与双组分环氧基涂料混合制备分散体，采用超声分散技术，掺入含0.0125%~0.200%碳纳米材料得到的环氧基涂料。该方法可以有效改善涂料耐热性能，同时赋予涂层良好的耐磨性、耐化学腐蚀性和耐冲击性。
我国防热涂层的研究起步较晚，比国外的主流防热涂层密度相对较高[15]。轻质防热涂层材料已逐渐从低热流、短时间、高膨胀性向高热流、长时间、非膨胀型转变。张巍等[16]采用环氧树脂为基体制备出耐高温双层涂层结构，该结构可应用于火箭发射台防护。在3.6~5.4MW/m2热流冲击下，其线烧蚀率为0.211~0.322mm/s，背面温度不超过80℃，能够承受实际气流冲刷，只有小部分表面脱落，成功应用于新一代中型运载火箭，且实际脱落的涂层面积不超过总涂覆面积的5%。Wang等[17]首创了新一代运载火箭卫星整流罩轻质防热涂层，该防热涂层以改性环氧树脂为基体，添加复合软木粉、空心微球、玻璃纤维等多种填料，具有优异的耐烧蚀性能，成功应用于长征系列运载火箭，热导率低至0.065W/(mK)，风洞试验结果见图2。张权[18]以环氧树脂、橡胶为基体，云母粉为填料，研制出烧蚀率低、隔热性能好的涂层材料。李国新等[19]利用3%~12%的MoSi2改性复配树脂（不同比例的硼酚醛树脂和E51环氧树脂混合）制得防热涂层。经烧蚀过后炭质层表面孔小、壁厚，提高了胶黏剂的残炭率，有效改善了材料的耐烧蚀性能。但该涂层只能在温度低于800℃的条件下使用，超过800℃后涂层表面发生严重开裂，失重明显。王百亚等[20]采用环氧改性有机硅树脂，并以聚酰胺类为固化剂，隔热耐热材料为添加剂，所制备的防热涂层热导率为0.271W/(mK)，可在350℃下使用，应用于T700/4319复合材料壳体表面的外防护。
图2 RZ-1 防热涂层与软木片风洞试验结果比较
环氧类防热涂层具有优异的黏接性能和烧蚀后较高的残碳率，广泛地应用于航天航空领域。需要指出是，这类涂层普遍存在脆性较大、韧性差、耐温性较差等问题，难以满足长航时、大热流的工况环境，因此目前主要面向中低热流工况环境下的应用场景。
1.2 硅橡胶类烧蚀防热涂层
相较于环氧类烧蚀防热涂层，硅橡胶中Si—O的键能（499kJ/mol）高于C—C的键能（322kJ/mol），使得Si—O的断裂过程中能吸收更多的能量，因此这类涂层可以承受大热流的极端工况。硅橡胶防热涂层主要历经三代的发展，具体见图3。例如，法国宇航公司在Huygens航天探测器中使用了由喷枪喷涂的硅树脂和中空二氧化硅混合防热涂层，其密度为0.6g/cm3，涂层厚度为1.7~2.7mm，热导率为0.1~0.145W/(mK)[21]。胡励等[22]研制了SR-107防热涂层，该涂层包括3层结构，具有隔热、烧蚀、辐射的功能，密度≤0.8g/cm3，成功应用于长征六号运载火箭底部舱体结构的防热，可承受兆瓦级的氧乙炔烧蚀试验。目前，国内某研究所已经开发了TR-37、TR-42和TR-52系列为代表的硅橡胶防热涂层产品，TR-37系列为轻质防热涂层，密度最低可达0.27g/cm3，TR-42系列为烧蚀防热涂层，可承受1000℃面温、百帕级剪切力及600s量级的长时加热环境；TR-52系列涂层兼顾了TR-37系列的轻量化性能，并在TR-42系列涂层的基础上进一步提升了抗烧蚀性能，在兼顾密度、轻量化指标的前提下，可承受1400℃面温、千帕级剪切力和700s量级的长时加热环境[23]。卢嘉德等[24]制备了氯磺化聚乙烯、中空微珠、芳纶纤维的复合涂层，具有轻质隔热的特点，其密度为0.65g/cm3，导热系数为0.125W/(m·K)。栾贻浩等[25]研究了MQ、VMQ和PVMQ3种不同结构硅橡胶的耐烧蚀性能，并发现PVMQ具有最低的线烧蚀率（0.2~0.25mm/s）和最优的成炭效果。周传健等[26]和Cao等[27]以PVMQ硅橡胶为基体制备了耐烧蚀复合材料，同时引入可陶瓷化的聚硅氮烷，吸收了大量的热量，极大改善了复合材料的烧蚀性能。
图3 硅橡胶防热涂层发展历程
综合国内外烧蚀涂层的发展状况可知，我国烧蚀涂层虽在不同温度范围内都有相应的涂层材料体系，广泛应用于运载领域。现有涂层体系亦存在一些问题，具体表现为：1）涂层耐热流和气动力的能力较差。目前，我国大部分涂层只能适用一定的温度范围，能在高热流、高温环境下服役的涂层相对较少，随着国家对航天事业的大力发展，耐高温涂层的制备工艺有待提高。2）涂层成型工艺复杂、周期长、成本高，且存在一定局限性。虽然热喷涂法、CVR法等成型方法可以解决一部分涂层成型问题，但是在材料系统化方面还有待改进，必须改进涂层制备技术和优化涂层材料体系设计。3）能在兆瓦级热流环境下长时间服役并稳定存在的涂层材料研发鲜有。在耐高温涂层开发的过程中，除考虑能在高热流下稳定使用条件外，也应注重轻、薄、防隔热一体化烧蚀涂层的研制。
2 非烧蚀性防热涂层
目前，美军现役的X-37B、波音公司开发的高超音速技术验证机系列（X-43、X-51），SierraSpace公司的航天货运飞机DreamChaser，以及SpaceX公司的星舰（Starship）载人飞船等可重复使用航天器均采用刚性隔热瓦表面涂敷非烧蚀防热涂层进行防护[28-32]。运载火箭的发展趋势是低成本，因此，可重复运载火箭是我国成为航天强国的必由之路，其中规模化、低成本化非烧蚀性防热涂层制备技术是亟须突破的难点与重点。当前，在以氧化物陶瓷纤维为主的刚性隔热瓦表面广泛使用的非烧蚀性防热涂层包括RCG涂层、TUFI涂层和HETC涂层，具体信息见表1。
表1 RCG、TUFI和HETC的组成与性能比较
2.1 RCG非烧蚀涂层
RCG涂层是NASAARC开发的第一代高红外发射率涂层。RCG涂层材料分别采用SiB4和硼硅酸盐玻璃粉作为辐射剂和黏结剂[33]。相较于普通玻璃，硼硅酸盐玻璃在热学、光学和力学等方面具有明显的优势。RCG涂层可以在约1200℃进行烧结，其使用温度可以与烧结温度相当，且在高温条件下具有自愈合的效果，因此被广泛地应用到耐高温涂层。除此之外，RGG涂层具有高辐射率，能够辐射约90%的表面热量，该涂层在美国航天飞机上得到首次应用[34]。
2.2 TUFI非烧蚀涂层
TUFI涂层是美国NASA研制的第二代高红外发射率涂层，以满足苛刻的太空环境。TUFI涂层分别以MoSi2和硼硅酸盐玻璃作为辐射剂和黏结剂，通过调控粉体的粒度，增加涂层在刚性隔热瓦中的渗透深度，从而提高涂层的强韧性[35]。硼硅酸盐玻璃在高温下具有流动性，填充涂层的裂缝，达到高温自修复的效果。TUFI涂层的表面催化系数较高，因此实际应用时常常在TUFI涂层表面再复合一层低表面催化系数的RCG涂层，其承受温度可达1425℃。Semenova等[36]在溶胶-凝胶过程中引入SiO2、A12O3、SiC和MoSi2等复合粉末填料，降低涂层的孔隙率，涂层辐射率达0.8以上，可满足1500℃的使用要求。
2.3 HETC非烧蚀涂层
HETC是最新一代高红外发射率涂层，核心是添加了TaSi2和MoSi2辐射剂，涂层具有更高的红外辐射率，提升了抗氧化能力，增强了涂层的高温防护能力。HETC是一种双层结构的涂层，外层具有高辐射、抗氧化、抗冲刷等功能，内层主要是提升与基底材料的热膨胀匹配能力[37]。HETC涂层相较于RCG和TUFI涂层具有更高的耐温性，可满足1650℃的使用要求，表面辐射率能达0.9以上。
近年来国内相关单位先后开发了刚性隔热瓦表面的非烧蚀防护涂层，并在可重复飞行器上获得应用[38-40]。国内外基本采用了相似的技术路线制备非烧蚀防热涂层，首先将原料包括黏接剂、辐射剂和增韧剂等通过球磨的方法获得微米级的粉末颗粒，然后获得高固含的浆料（约50%），并采用刷涂或者喷涂的工艺方法施工于隔热瓦表面，待涂层干燥后，放置于高温马弗炉中烧结得到非烧蚀性能防护涂层，总体来说，国内相关单位已陆续突破了非烧蚀防热涂层制备及其与刚性隔热瓦热膨胀匹配技术。
3 环境适用性表面涂层技术
环境适用性表面涂层作为火箭结构的第一道防线，一般涂敷于运载火箭外壳、燃料箱等部位，主要用于解决运载火箭在地面转运运输阶段、发射场停放阶段以及发射阶段面临的环境考验，是运载火箭高可靠性、长寿命的重要保证。一般来说，在火箭的运输和储存阶段，涂层需适应气候、温度、湿度的变化及机械振动带来的影响；在海上运输阶段，涂层需抵御盐雾侵蚀（NaCl浓度可达3.5%（质量分数））、高湿热环境（相对湿度>95%）及霉菌滋生；在发射阶段，涂层需耐受剧烈的温度梯度（由地面常温骤降至−183℃）。针对低温推进剂贮箱等特殊部位，防护涂层还需兼具抗低温等功能性需求。为了保证火箭的高可靠性和长寿命，运载火箭表面涂层材料需通过技术创新和适应性设计，以应对发射、飞行和回收过程中的全周期挑战，实现高效、安全的航天任务。
3.1 防腐蚀涂层
绝大多数运载火箭均采用成本及性能优势显著的金属材料作为结构主体，然而金属材料在不同的环境中会面临化学氧化腐蚀和电化学腐蚀的双重失效风险。现阶段，工程实践中普遍采用在金属基体表面喷涂有机防护涂层的技术路径，以实现抗腐蚀防护功能[41]。有机防护涂层本质上属于高分子复合材料，由聚合物树脂和多种功能性填料组成。其中，聚合物树脂通过在金属表面形成连续相，构建起阻隔水分及离子渗透的基础屏障，同时借助化学键合作用与机械锚固机制实现与金属基体的稳固附着，而填料组分则在涂料体系中发挥主动防护等功能性作用以及美观作用，对涂层体系的综合性能发挥关键性调控作用。
防腐蚀涂层主要通过屏障阻隔防护以及牺牲/阴极保护来实现对金属的防护作用[42]。例如，掺杂了氧化石墨烯（GO）、钼酸盐和藻酸盐的聚吡咯基纳米复合材料（PPy/GO/Mo/Sal），可在金属表面形成致密氧化层隔绝腐蚀介质，从而显著提升耐盐雾腐蚀性能[43]。仿生超疏水涂层通过羟基诱导表面构建微纳结构，疏水剂层沉积在团簇聚集体的表面和组成团簇的纳米粒子元素减小了液体与基底的接触面积，在实现疏水自清洁性能的同时（表面接触角可达150°以上），还可以抑制腐蚀介质的渗透，从而实现涂层的耐腐蚀性能[44-45]。牺牲/阴极保护要求涂料的电化学活性大于被保护的金属材料，一旦涂层被破坏，涂料会先于金属材料被氧化并产生氧化物隔绝空隙，从而实现防腐蚀的作用[46]。
中国现役运载火箭采用963底漆与969面漆组合体系，以实现金属结构表面的长效防腐，该涂料体系以氯化橡胶与过氯乙烯树脂为成膜基质，通过物理阻隔腐蚀介质渗透与抑制电化学腐蚀反应的协同机制，达成对金属基体的防护效能。新一代运载火箭普遍采用液氧、液氢、甲烷等低温液体推进剂，具有绿色环保、无毒污染的优势，同时对箭体结构涂层的低温耐受性能提出了更高的要求。
3.2 防静电涂层
为兼顾轻量化与高强度性能，火箭整流罩常选用碳纤维增强聚合物（CFRP）等先进复合材料；而火箭燃料箱外表面则通常采用泡沫等绝热材料，以防止低温推进剂因外界高温环境发生蒸发，从而保障燃料储存效率。此类非金属聚合物材料多具有绝缘特性，在高速飞行过程中易因空气摩擦产生静电荷积累。静电累积可能引发局部放电现象，进而导致电子设备受干扰并增加爆炸风险。为此，火箭非金属材料表面涂层还需要同时具备防静电功能。有研究表明，静电的产生与材料的表面电阻率有关，当表面电阻率为106~109Ω·cm时，可以耗散电荷并防止电荷积累[47]。防静电涂层主要通过添加导电填料来降低材料表面电阻率，从而实现静电防护作用，常见的导电填料包括金属粉、炭黑、MXene、氧化石墨烯、碳纳米管、高分子导电材料等[48-50]。
在聚合物涂层中，导电填料能够构建起导电网络。当涂层表面带有静电荷时，该导电网络可促使表面电荷快速耗散，进而使涂层具备防静电功能，然而不同导电填料构建导电网络的方式有所差异。金属粉末以物理接触形成导电通路；炭黑颗粒相互搭接形成链状导电结构；MXene因其二维片层结构，可在涂层中形成连续的导电网络；氧化石墨烯经过还原处理后，其片层间形成电子传输通道；碳纳米管凭借其一维管状结构，相互交织形成三维导电网络；高分子导电材料本身具有导电性能，在涂层中分散后形成导电通道。
欧洲航天发射中心位于热带雨林气候地区，其运载火箭表面涂层采用法国MAP公司研制的MAP®AQSTATIC和MAPSIL®AS面漆，配合MAPSIL®Silico底漆使用。其中MAP®AQSTATIC是以羟基化水性丙烯酸树脂为成膜物质的双组分涂料，MAPSIL®AS是以硅醇（羟基）封端的聚二甲基硅氧烷为主要成分的有机硅树脂体系涂料，其主要的防静电功能填料是掺杂氧化镓的氧化锌[51]。调研显示，该新型白热防静电涂料已通过欧洲环境法规、危害性物质限制指令、挥发性有机化合物规章等欧洲与北美的相关环保法规。相比于国外运载火箭表面防护涂层，国内现役的环境耐久性功能涂料的绿色安全性稍显不足。
3.3 自修复涂层
火箭在运输及发射阶段，其涂层可能因环境因素与机械外力作用而受损，进而严重影响涂层的阻隔性能。机械力导致的损伤形式主要有局部划痕、层间剥离（分层）和宏观裂纹等；而环境因素引发的损伤则主要表现为因紫外线辐射、高温（热效应）、氧化作用、湿度变化（湿气侵蚀）以及离子侵蚀等环境条件所导致的涂层脱粘现象。若此类损伤未能得到及时且有效的修复，将直接导致涂层过早失效。当前，针对涂层损伤的修复工作大多依赖人工操作，不仅成本高昂，而且流程烦琐。在此背景下，新兴的智能材料技术为涂层赋予了自修复能力，这一创新可显著提升涂层的防护效能，并有效延长其使用寿命。
自修复涂层主要可划分为主动修复型与被动修复型两大类。主动修复型涂层通常包含可聚合修复剂或腐蚀抑制剂等特殊成分，这些成分能够在涂层受损时发挥修复作用。而被动修复型涂层的愈合机制则主要依赖于外部热刺激或光刺激，此类刺激能够触发涂层基质中化学键的断裂与重组，或是促使聚合物链的构象发生恢复性变化，进而实现涂层的自我修复。例如，基于Diels-Alder反应或氢键的动态交联网络可在加热或光触发下修复微裂纹，见图4，含可逆亚胺键的环氧树脂涂层在80℃下修复效率可达90%[52]。pH响应型涂层（如BOC-Gly功能聚合物）可根据环境酸碱度释放缓蚀剂，实现腐蚀位点的靶向防护[53]。温敏型涂层（如VO2基智能涂层）则可通过相变调节表面发射率，用于航天器热管理[54]。具有自修复功能的防腐涂层可通过微胶囊释放缓蚀剂或动态化学键重组修复损伤。双层玻璃涂层系统结合了无机涂层的屏障特性与有机层的抑制剂自修复功能，可以显著延长镁合金的耐蚀寿命[55]。
图4 基于微胶囊的自修复过程[52]
随着运载火箭轻量化、可重复使用和深空探测需求的提升，为了应对极端环境下的腐蚀、磨损、静电累积等问题，表面功能性涂层的研发正从单一防护向智能、环保、多功能集成方向跨越。然而多数功能性涂层仍停留在实验室阶段，缺乏规模化制备技术和统一的行业标准，严重制约其工程应用转化。未来需进一步融合仿生学、计算材料学和绿色化学，突破涂层在极端环境下的耐久性瓶颈，推动涂层技术从实验室走向航天工业化应用。
4 低温绝热材料技术
国外运载火箭已经广泛应用液氧/液氢等环保型推进剂，如Delta系列火箭、Ariane系列火箭等。但是，液氧、液氢气化温度分别为−183℃、−253℃，在常温下极易气化，绝热失效会导致燃料贮箱内压力升高，严重时造成贮箱爆炸，发射失败。因此如何贮运液态低温推进剂成为运载火箭工程的关键问题，高效的低温绝热技术则是减少火箭推进剂损失，提升运载火箭可靠性的关键技术。
对液氧贮箱采取一定的绝热措施，在贮箱内部或外部包覆一层绝热层。绝热层需要具备3个特点，一是导热系数低，低温绝热效果好，二是要热性能优异，耐高温，三是材料密度低，减轻飞行重量。用于低温贮箱保温的材料主要有：泡沫材料和气凝胶材料。真空气凝胶的热阻率高于PU泡沫，但它们在环境压力下的导热系数大致相当。此外，刚性聚氨酯（PU）泡沫与其他材料相比有一个主要优点，那就是它们能够喷射到复杂型面上。由于其他保温材料的特定安装技术而产生的接缝和接缝可能会导致热泄漏，而这种喷涂PU泡沫保温材料基本不存在这种结构缺陷[56-59]。
4.1 泡沫材料
泡沫塑料是一类具有大量孔洞结构的高分子材料，具有质轻、隔热、吸音、减震等特性，目前国内外航天领域广泛采用质轻、导热系数低的硬质泡沫塑料如聚氨酯（PU）或聚氯乙烯（PVC）泡沫塑料作为绝热材料。绝热层的成型技术目前主要有泡沫塑料预制块拼接和喷涂2种方式。预制块拼接的方式优点是制造工艺简单，缺点是拼缝处形成热桥，整体绝热效果较差。喷涂方式的优点是整体成型，无拼缝，绝热效果好[60-61]。
美国航天飞机外挂贮箱的绝热层最为典型，在继承了土星五的技术上有所突破，采用外绝热层的形式，主体以聚异氰脲酸酯（简称PIR）泡沫塑料为主，在特殊头锥、捆绑点、发动机火焰烧蚀区根据实际情况采用不同的材料[62]。美国研制的下一代运载火箭AresI、AresV的低温贮箱绝热层均沿用航天飞机外挂贮箱绝热层。绝热层材料主要为PIR泡沫塑料，辅助PU泡沫塑料，典型应用见表2。
日本运载火箭低温贮箱绝热层技术与美国具有一定的相似性，H-2A低温贮箱施工采用自动化喷涂工艺。欧洲运载火箭低温贮箱绝热层技术以阿里安系列运载火箭为代表，主要采用手工作业的方式，在液氢/液氧贮箱表面粘贴聚氯乙烯（PVC）泡沫塑料，牌号KlegcellH917。
国内现役运载火箭主流采用的绝热层材料为聚氨酯泡沫塑料，由于聚氨酯材料（PU）耐热性能不足，其玻璃化转变温度（即软化点）较低，温度较高时聚氨酯泡沫塑料发生软化，在气动冲刷时被压缩，导致导热系数升高，隔热性能下降而无法满足使用要求[63]。通常在聚氨酯泡沫层外包覆一层耐高温的树脂作为防热层。另外为保证绝热材料和耐高温树脂间界面良好结合，还需在中间涂一层胶黏剂，形成隔热层+低温胶+耐高温树脂防护层的多层结构形式。这种多层结构通常会导致生产工序多，生产周期长，同时不利于火箭的减重，会降低火箭的有效载荷。
4.2 气凝胶材料
喷淋泡沫绝热材料（SOFI）通常用于保护航天运载火箭液氢（LH2）级飞行罐的迎风面。SOFI在环境压力环境中是一种优秀的绝缘体，然而，在热辐射主导的空间真空环境中，与反射型系统（如多层绝缘体）相比，其性能较差。如果可以设计一个采用辐射屏蔽的向风隔热系统来取代或补充SOFI，则可以大大减少在轨热负荷，并且剩余的推进剂可以用于促进二次任务。美国宇航局肯尼迪航天中心的低温测试实验室已经对这种利用气凝胶毯隔热的隔热系统进行了探索。由于其纳米多孔结构，气凝胶在低温下是一种优秀的吸附剂和绝缘体，当保护表面接近LH2温度时，气凝胶很容易吸收可冷凝的背景气体，如空气。当被吸附的毛毯迅速暴露在真空中，例如在火箭上升过程中，它将释放背景气体，产生被动冷却效果，可能会在一段时间内潜在地减少或消除推进剂油箱的热负荷[64-65]。Swanger等[66]以气凝胶复合材料为基准材料（被二氧化硅气凝胶包裹的增强纤维），并提出了气凝胶复合材料和其他低密度多孔材料的物理传热模型。Wang等[67]通过超临界乙醇干燥法制备SiO2气凝胶，与玻璃纤维复合成气凝胶毡。结果表明，复合气凝胶毡用于冷藏罐的绝热，可以有效地保持罐内物品维气凝胶具有独特的分层细胞结构，具有~25mg/cm3的低温状态。Liu等[68]采用高浓度乳液模板法制备了氧化铝陶瓷BN气凝胶（ACBNAs），该陶瓷纳米纤的超低密度，26.17mW/(mK)的超低导热系数，以及在−196~1200℃宽温度范围内的出色稳定性。结果表明，这种通过在乳液中分散和缠绕氧化铝纤维和氮化硼纤维的方法是一种实用且可扩展的合成氧化铝陶瓷BN气凝胶（ACBNAs）的有效手段，该方法灵活性大，所获得的产物具有重量轻和出色的隔热性能的特点，如图5所示，使用红外成像技术捕捉气凝胶在火焰直接照射下的热响应。从图5c研究者观察到，气凝胶的表面温度以及气凝胶内部复杂的温度变化。红外图像提供了对气凝胶表面温度分布的深入了解。即使样品正面的温度超过1200℃，气凝胶在30min后仍然不易燃。当气凝胶长时间暴露于火焰中时，其背面温度缓慢上升，在30min后达到约170℃的最大值（图5d）。这表明气凝胶具有优异的隔热性能，能够在高温环境中保护其背面免受高温的影响。值得注意的是，即使在承受了丁烷喷灯30min的高温后，气凝胶也能保持其形状和大小，这突出了其卓越的稳定性和耐热性。聚酰亚胺气凝胶具有出色的热学和力学性能，因而有多种应用，尤其是在隔热领域。然而，直接生产聚酰亚胺气凝胶的传统方法涉及长时间的溶剂交换和干燥过程，导致生产效率低且成本高昂。Dayarian等[69]研究开发了2种替代技术，即向聚酰亚胺气凝胶颗粒中添加二甲基亚砜溶剂和环氧树脂，然后将其固化以获得聚酰亚胺气凝胶块或成型件。与直接获得的成型件相比，这种方法将工艺周期缩短了近60%，添加环氧树脂的样品在外观和力学性能方面表现良好，在10%应变下，添加环氧树脂可使力学性能和抗压强度提高18%。在相同条件下，使用二甲基亚砜作为溶剂制成的样品与直接制成的成型件相比，具有更高的热稳定性和孔隙率。
表2 美国航天飞机外挂低温贮箱绝热层材料及主要性能
图5 氧化铝/BN气凝胶隔热效果及机理[68]
5 结语
本文系统性地归纳了当前国内外运载火箭表面防护材料体系，包括运载火箭烧蚀/非烧蚀防护涂层、环境适用性表面功能涂层和低温隔热防护材料。随着国内可重复运载火箭技术的发展、发射环境的变化和环保型液氢/液氧低温推进剂的应用，运载火箭防护涂层面临升级迭代的革新需求，以满足运载火箭发展形势要求，总体来说，我国建立了较为完备的表面防护材料体系，但较美国仍然存在一定差距，未来可重复运载火箭表面防护技术的发展趋势主要集中在以下几个方面：
1）轻量化是表面防护材料发展永恒的主题。防护材料的升级换代必须满足轻量化的防护要求，随着可重复运载火箭技术的发展，传统的烧蚀性防护材料将部分被非烧蚀性材料取代，当前传统有机防护涂层密度约为0.5g/cm3，非烧蚀性材料的防护材料除了考虑其可复用性能之外，还应对标现有防热涂层材料的面密度，达到最优防热效能。
2）低成本是表面防护材料发展的必由之路。目前我国运载火箭的发展更多是满足国家重大需求，以“保成功”为底线思维，经济性方面考量较少，随着国内外商业航天的兴起，规模化发展对低成本表面防护材料发展提出了必然要求。
3）防护材料面临越来越苛刻的环境工况。一方面，可重复运载火箭具有再入大气层的特点，热流越来越大，飞行时间越来越长，迫切需求发展大热流防护材料体系；另一方面，环保型低温推进剂的全面推广，轻质高效低温绝热材料是发展的重点之一。
4）多功能一体化热防护涂层成为未来重点需求之一。传统防热结构往往采用多层结构满足功能需求，这类防护结构低质效，兼具高耐热、高隔热、高发射等多功能一体化的防热涂层成为科研人员开发涂层的重点方向。
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