CMC瓦片將用于Sierra Space的DC100 "追夢者"航天飛機，該飛機將為NASA國際空間站（ISS）運輸關鍵物資和科學實驗。

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

美國能源部（DOE）下屬的橡樹嶺國家實驗室（ORNL，位于美國田納西州橡樹嶺）與Sierra Space公司（位于美國科羅拉多州路易斯維爾）的研究人員聯合開發了一種新型碳纖維增強碳化硅（C/SiC）陶瓷基復合材料（CMC）熱防護系統（TPS），專為可重復使用的商業航天器設計。該熱防護系統由瓦片表面層和絕熱背襯組成，安裝于航天器后，能夠承受多次發射以及大氣層再入時的極高溫度，并具備在短時間內重復使用的能力。

熱防護系統（TPS）復合材料將 SiC 基體的高溫和腐蝕穩定性與碳纖維增強材料的高強度和高溫一致性相結合。這兩種材料組合成低密度、低輪廓的復合隔熱層，這對于提供絕緣保護和穩定的飛行動力學至關重要。 

ORNL 首席研究員格雷格-拉森（Greg Larsen）表示："保持一致的外模線對重復使用性非常重要。它能保持空氣動力學性能不變，使飛行器按設計飛行"。

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表面，因為它可以抵抗因暴露在極端高溫下而導致的尺寸和形狀變化。熱防護系統（TPS）材料的輕質還有助于最大限度地增加可用的商業有效載荷和飛行器內部容積。

該團隊利用 30 年來從 NASA 的航天飛機計劃中吸取的經驗教訓來開發TPS。NASA 航天飛機軌道器的 TPS 于 1981 年首次使用，至今仍被認為是航天器最先進的熱防護技術。該設計要求每架航天飛機安裝超過 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位置。這些瓦片的成型過程非常耗費人力，需要將水和化學物質倒入模具中，并在高達 2350°C 的溫度下燒結混合，以形成最終形狀。技術人員使用一種特殊的粘合劑將各個瓦片粘貼到每架軌道器的外殼上。 

拉森表示，雖然 NASA 的計劃平均每年發射近五次，但如今商業太空飛行的速度正在加快。“實現由快速著陸到發射周轉時間驅動的飛行節奏的關鍵是熱防護系統（TPS） 的可重復使用性，”他說。“我們正在探索的材料將推動可重復使用性的發展，這直接為供應商接入太空領域提供了商業可行性。”

ORNL 和 Sierra Space 已完成該項目的第一階段材料開發，并已聯合申請該新型材料的專利。項目的第二階段將重點開發一種能生產絕緣瓦襯底的增強制造工藝。

Sierra Space公司計劃在Sierra Space公司的 "追夢者"（Dream Chaser）上使用新的TPS，"追夢者 "是一種帶翼商業航天飛機。多任務太空飛機機隊旨在將機組人員和貨物運送到低地球軌道。該公司計劃在 DC100 "追夢者 "上使用 TPS，根據美國國家航空航天局（NASA）的商業補給服務合同，DC100 "追夢者 "將運送關鍵物資和科學實驗，往返于國際空間站（ISS）。

熱防護系統（TPS） 研究正在位于 ORNL 的 DOE 制造示范設施 (MF) 中進行。制造示范設施由能源部先進材料和制造技術辦公室支持，是一個全國性的合作聯盟，與 ORNL 合作創新、激勵和促進美國制造業的轉型。