## 问题一：标题 木材与海草纤维基材料（含TPSea）在热结构探空火箭上的应用评估与热防护性能筛选研究

《Scientific Reports》：Wood and seagrass fibre-based materials including TPSea on hot sounding rocket structures

　　

## 问题三：摘要翻译

为评估木材基与海草基材料作为航天热防护系统（thermal protection system, TPS）材料的适用性，研究人员在电弧加热风洞L2K中开展了以两种实木（橡木与桃花心木）制成的舵前缘试验。需求分析使研究人员得以筛选出三种未经处理的天然实木（桦木、橡木与落叶松）以及四种木纤维材料（TPSea-0、-1、-C与I-WBM）用于后续试验。TPSea系列材料为德累斯顿工业大学（TUD）的开发成果。研究人员开展了更为细致的材料筛选，涵盖密度、热导率、比热容及热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）。研究人员通过质量、横截面积与轮廓的分析，对L2K中飞行相关热载荷下的测量结果进行评估。研究结果表明，未经处理的实木由于质量损失显著且前缘几何形状退化不均匀，并非舵前缘理想的天然材料。具有更高均匀性、并加入阻燃剂与较高矿物含量的木纤维材料在优化方面展现出可观前景，这一点是明确的。在本筛选研究所测试的单一热载荷工况与有限重复次数条件下，TPSea-C在所评估的候选材料中表现出最具潜力的尺寸稳定性与热行为。然而，所研究的生物基材料变体中尚无一种完全满足既定要求。对TPSea-C的进一步分析有助于识别其材料相关的固有限制，并为针对性优化提供依据。该工作证明了天然纤维基材料在探空火箭主结构中热载荷最高部件——舵前缘上的应用潜力。本研究结果为进一步将木质材料应用于航天工程奠定了基础，为航天生物经济铺平了道路。

## 问题四：论文解读

**研究背景与问题**

当前航天工业正转向更小有效载荷的开发，由此带来更大的灵活性与众多创新运载器的发展机遇。在生物经济不断发展的背景下，可再生资源对航天工业具有吸引力，有望成为面向CO₂中和经济的未来替代材料，减少太空与地球上的废弃物，并通向循环航天经济。欧洲空间局（ESA）绿色议程亦强调降低航天系统环境影响的重要性。然而，木材及木质材料在航天应用中仍属较新的发展方向，文献相对匮乏。在航天应用中，木材主要用于结构、模型或减震目的，用于热防护或隔热的情况仅有少数报道且证据有限。研究指出，尽管已有初步研究涉及生物基热防护材料的开发与实验室测试，但现有数据尚不能全面评估实木与木纤维材料在飞行相关条件下的表现，尤其是直接应用于探空火箭舵前缘的情形。此外，舵前缘等热结构部件须承受高热载荷与机械载荷，兼具高刚度与较低质量，其常用方案为高温钢合金、热防护系统（TPS）层或其组合：钢制方案受限于薄板在热应力释放时的变形，而薄层TPS则退化迅速，使底层结构在飞行后段失去保护。德国航空航天中心（DLR）结构与设计研究所因此开发了酚醛玻璃纤维增强前缘并应用于DLR MORABA热载荷较高的舵组件，但该材料在轻量化与环境可持续性（不可再生材料）方面存在固有不足。海草基与木材基材料因密度较低、热导率低、轻质、易加工、可生物降解及良好烧蚀性能而具备潜力。探空火箭则是验证部件材料与结构概念的适宜试验平台，故研究人员选择探空火箭舵前缘作为首批研究的部件。该研究由德累斯顿工业大学（TUD）与DLR合作开展，以DLR STORT飞行包线为参考，因其为DLR MORABA热与机械要求最高的高空研究飞行之一，可充分探索候选材料的极限。研究旨在识别适用于热空间结构（尤其是舵前缘）的实木或木质材料变体并确立其当前发展水平，采用酚醛玻璃纤维增强材料（对比材料1，CM-1，2.07 ± 0.1 g/cm³）与高温钢合金（对比材料2，CM-2，7.9 g/cm³）作为对比。其重要意义在于：这是迈向基于生物基材料的新结构系统的第一步，目标为采用可更换、可重复使用部件的差异化设计结构，并为后续材料开发（包括航天技术之外的应用）提供基础。

**关键技术方法**

研究人员首先依据DLR MORABA提出的通用要求、天然来源舵前缘的可选要求及TUD识别的附加要求制定需求规范，以CM-1、CM-2的热性能为基准。材料筛选采用热重分析（TGA，LECO TGA 701，先以15 K/min由25 ℃升至105 ℃预干燥，再以40 K/min升至1000 ℃，氮气气氛3.5 l/min），并按DIN EN 323:1993-08测定密度、按DIN EN ISO 22007-2:2015以Hot Disk? TPS仪器测定热导率与比热容。飞行相关热载荷试验在DLR电弧加热风洞L2K（Huels型电弧加热器）中开展，采用96%氮气与4%空气混合试验气体，试验时间120 s。试验后评估包括质量分析、横截面积分析（ImageJ）与轮廓分析；材料来源为TUD材料库中的实木及TUD开发的TPSea系列与工业木纤维板I-WBM。

**研究结果**

*需求规范与材料筛选*：通用要求包括飞行全程失效安全、承受STORT任务中等气动载荷与高热载荷、长时间保持几何与完整性；天然来源可选要求包括较低质量、改善飞行稳定性、降低颤振、降低极转动惯量及较低生产成本；TUD附加要求包括高强度高密度以维持结构完整、低热导率与高热阻以阻止热传递、保持几何形状。筛选仅考虑欧洲本土树种以降低采运环节CO₂排放，木纤维材料以工业材料I-WBM与TUD材料（TPSea-0、TPSea-1、TPSea-C）对比，其中TPSea-C为含木纤维、海草纤维Zostera marina与生物基阻燃剂的专利配方，并已通过REXUS/BEXUS计划中的SHAMA试验搭载REXUS 34发射。

*初步试验*：在L2K中对橡木（Quercus petraea, Q. robur）与桃花心木（Andiroba Carapa guianensis）、碳纤维基PTM-1及CM-1各测试一次。PTM-1残余质量为87.08%，CM-1为92.44%；PT-Oak残余质量49.47%低于PT-Mahogany的59.66%，尽管二者密度相当（0.83 ± 0.06与0.85 ± 0.06 g/cm³）。截面分析显示残余截面积仅相差0.8%（PT-Mahogany 51.11%，PT-Oak 50.31%），PT-Mahogany炭层比例高5%。显微分析表明，橡木早材与晚材孔径差异大且木射线较宽，导致更显著且局部非均匀的热降解；桃花心木木射线较窄、孔隙分布更均匀，降解更低且更均匀。木射线取向对热降解进程影响显著，射线方向为热传输提供优先通道。两种材料均形成多孔炭化层与热解区，桃花心木炭层约2500 μm、热解区约1200 μm，橡木分别约2000 μm与500 μm。试样木纹取向使热载荷主要垂直作用于纹理方向，而木材垂直纹理热导率约为平行纹理的一半，有利于减少热向部件内部传递。

*热重分析*：预干燥所致质量损失可忽略，所示质量损失均由材料成分引起。实木在约200 ℃前保持质量，随后陡降至落叶松低于12 ± 0.006%、橡木低于18 ± 0.009%。TPSea-0略高于20 ± 0.01%；I-WBM与TPSea-1在1000 ℃时保有32 ± 0.009%至35 ± 0.01%；TPSea-C残余质量最高，超过42 ± 0.012%，归因于海草纤维中天然盐类、砂质残留与悬浮物的高熔点（氯化钠约801 ℃、石英砂约1713 ℃），其减缓分解并起天然阻燃作用，未分解成分形成浅色矿物沉积。所有木纤维材料保持材料内聚性，而实木试样结构严重退化或解体。

*热物性表征*：木纤维材料热导率仅略低于CM-1，但比CM-2低至多40倍；所有材料比热容相近，木纤维材料比热容可达CM-1的1.7倍或CM-2的3倍，即天然纤维基材料隔热更好且储热能力更强。

*材料选择*：基于四项准则（试验容量、材料范围广泛性、实木的区域来源与密度及解剖结构、木纤维材料的阻燃性与密度及生物基组成），共选择六种材料用于L2K测试：两种硬木（橡木、桦木）与一种软木（落叶松），以及I-WBM、TPSea-1与TPSea-C。

*风洞试验*：试验条件取STORT弹道最大总焓工况（约41.5 km高度、飞行马赫数8.6，总焓约4.048 MJ/kg、滞止压力约254 hPa，相似参数约64.5）。试验显示TPSea-C试样尖端退火并形成树脂与矿物组分的熔珠，尖形与笔直前缘在整个试验期间得以保持；橡木尖端不规则分解、不能保持笔直前缘，上部可见多孔碳剥落。测温显示TPSea-C尖端温度由1500 ℃升至最高2300 ℃并相对恒定，而橡木温度波动明显，自t = 20 s起可检测到材料剥落，110 s后双色高温计失去测量点而骤降至起始量程1000 ℃。热像图显示TPSea-C在60 s与120 s均具均匀连续尖端轮廓，橡木则为钝头且不连续。

*试验后分析*：质量分析显示木纤维材料残余质量53.2–62.0%高于实木的34.0–38.1%，但显著低于PTM-1与CM-1；TPSea-C超过初步试验中的PT-Oak与PT-Mahogany，为所有测试材料中最高，其密度0.89 ± 0.15 g/cm³与PT-Oak、PT-Mahogany相当。截面分析显示木纤维材料最大残余截面积66.1–79.2%高于实木的35.1–51.6%，但完整截面积比例（31.5–47.0%）与实木（28.0–39.8%）重叠，说明多孔残余层不应等同于完整材料。轮廓分析显示橡木顶部材料损失严重、轮廓变窄并出现由多孔炭层与开裂表面造成的凹陷；TPSea-1尖端材料损失较小但厚度方向略有收缩；TPSea-C仅尖端有材料损失，表面轮廓保持良好且尺寸稳定，仅见裂纹凹陷与熔珠引起的起伏。

**讨论与结论**

讨论部分指出，TGA结果可提供热分解与炭产率的筛选度量，但不能预测L2K电弧加热风洞瞬态流动与传热条件下的性能。木纤维材料热导率0.225–0.353 W/mK、比热容1446.0–1493.2 J/kgK，兼具低于参考材料的热导率与更高的比热容，与减少热传入舵结构、提高单位质量升温所需热量的特性一致。质量与截面分析结果提示材料密度与热响应存在关联，但TPSea-C以更高密度（0.89 g/cm³，PT-Mahogany为0.85 ± 0.06 g/cm³）实现比桃花心木低至多四个百分点的质量损失，表明密度并非唯一决定因素，材料组成与结构亦有贡献。所有试样尖端均有材料损失与几何收缩，但L2K试验中未检测到前缘外扩。与CM-1及PTM-1相比，所有测试变体尚不能满足尺寸稳定性与几何保持要求；TPSea-C表面轮廓保持最佳、几何变化最小、材料损失最低，其多孔炭层结构完整性为所有材料中最高，且密度0.89 ± 0.15 g/cm³有望带来显著减重。由于缺乏直接可比数据集，无法与最先进数据进行充分验证，与CM-1、PTM-1的比较提供了内部基准。

结论部分译文如下：在所选STORT载荷工况下开展热筛选与L2K试验后分析，得出以下结论。未经处理的木材不适合用于探空火箭舵前缘，其残余质量为34.0–38.1%、最大残余截面积为35.1–51.6%，表明实木不适用于关键主结构组件，其使用可能危及任务成功。相比之下，具有更高均匀性并含阻燃剂的木纤维材料颇具前景，其几何与完整性保持更好、热阻良好且尺寸稳定性高，残余质量为53.2–62.0%、残余最大截面积为66.1–79.2%。木纤维材料TPSea-C在材料损失、轮廓保持与多孔炭层结构完整性方面表现最佳；研究人员推测，除所掺阻燃添加剂外，海草纤维因天然高盐与矿物含量亦有助于阻燃行为，从而延缓热分解。所有木纤维材料均具低热导率与高比热容，可减少热传入舵结构；由于生产工艺，纤维在板主平面存在优先取向，使法向热导率显著低于面内热导率。其高热含量带来良好烧蚀热防护效果。与DLR现用材料（CM-1与CM-2）相比，木纤维材料密度更低、质量更小，但仍不能满足规定的尺寸稳定性与几何保持准则。总之，所研究的生物源材料变体均未完全满足要求，但对TPSea-C的进一步材料开发可对其优化，从而挖掘可持续航天材料的创新潜力。主要成果包括：未经处理实木的热降解与轮廓变化大于木纤维材料，不宜用于所测试的舵前缘应用；木纤维材料残余质量与残余最大截面积高于实木，但完整截面积范围重叠，表明多孔残余层不应等同于完整材料；TPSea-C材料损失最低、轮廓保持最佳，性能有前景但尚未满足全部尺寸稳定性与几何保持要求；木纤维材料密度低于参考材料，显示减重潜力，可进一步开展材料与结构开发；总体上所研究生物基材料变体均未完全满足要求，TPSea-C的进一步开发可提升其性能并支撑航天可持续材料发展。展望部分提出可开展力学行为及流动、动态结构与热影响耦合的深入研究，考虑调整前缘几何以移动驻点、分散热载荷；通过增加筛选与L2K试验试样数量提高结果可靠性；因所选STORT飞行包线为DLR MORABA热要求最高的高空研究飞行之一，仅测试了一种载荷工况构成研究局限，后续可开展不同压力剖面、温度、气体组成及试样与喷嘴出口距离的L2K试验；可开发测定实时烧蚀率的测量方法；并应重视新材料实际应用经验教训的分析。研究结果还可拓展至热载荷较低的部件（辅助系统、贮箱与输送系统隔热、减振器），烧蚀结构可设计为高应力区的"快速更换件"，并可转移至开关柜、车辆制造、航空、航运、建筑工业（尤其住房工业与高炉等耐火应用）等热应力高的领域。将木材与海草纤维材料用作航天等高技术产业生物经济的替代材料仍需进一步研究：TPSea-C等材料因潜在低密度可助力运载器与航天器减重，进而降低推进剂需求；可再生原料的使用可减少对不可再生资源的依赖并带来环境优势，可通过按ISO 14040:2006开展现用材料（如CM-1或CM-2）与替代材料（如TPSea-C）的生命周期分析比较，进一步深入评估与量化环境效益。