高超声速飞行器的“隔热服”不一般

 金沙网址app     |      2020-04-16 10:46

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高超声速飞行器,其飞行速度等于或大于5倍声速,每小时至少可飞行6120公里。如此高速飞行,需确保飞行器关键结构部件承受剧烈的空气摩擦及高达2000-3000℃的热气流冲击而不被破坏。在高超声速热防护领域,陶瓷材料以其高熔点的特性脱颖而出,成为各大国竞相研发的优选材料,而陶瓷热防护技术也成为高超声速飞行器能否安全飞行的关键技术。

曼彻斯特大学与中南大学研究人员合作,创造了一种新型的陶瓷涂层材料,该材料将在高超声速客机,航天飞行器以及其他国防领域带来革新。

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高超声速飞行意味着飞机将以5马赫以上的速度飞行,暨至少为声速的5倍。当飞机以这种速度飞行时,大气中空气摩擦非常强烈,产生极高的热量,可能对飞机或导弹的结构完整性造成严重影响。这是因为由于高超声速飞行带来的空气摩擦可以使得飞机或者高超武器被包裹在高达2000℃到3000℃的环境中。

8月3日,在我国西北某靶场,由中国航天科技集团有限公司第十一研究院开发的星空-2乘波体超高声速飞行器顺利升空,在进入飞行姿态后,星空2精准的完成了既定的各项动作,最高速度达到了6马赫,在经过一系列的弹道大机动转弯后,星空2准确落入预定区域,实验圆满成功。这次试验的成功标志着我国已经完全掌握了乘波体飞行器的一切技术,继美国之后,进入全球一小时打击阶段。

热防护是一道世界难题 2003年,美国哥伦比亚号航天飞机发射后不久解体,搭载的7名航天员全部罹难。事后调查发现,在飞机发射82秒后,一块热防护材料从燃料箱上掉落,击中了哥伦比亚号左翼的复合材料板,1400℃的高温气体窜入内部,陆续烧毁了温度传感器,导致飞机左翼失去平衡。在强烈的摇摆中,飞机解体坠毁。这是一场令世界震惊的由热防护材料失效引发的灾难性事故。 如何实现对高速飞行器的热防护?该项技术的难度在美国的探寻历程中可见一斑。 1952年,美国首先提出将导弹头部做成钝形,可以提供较厚的激波层,耗散大量能量从而减少导弹表面的气动加热。但后续实验发现,仍有大量的热传递到导弹表面。随后,研究人员提出使用高热容的材料吸走飞行器表面的能量,后由于吸热量不够且过于笨重而放弃。 1955年,美国陆军导弹局在一次试验中发现,在2570℃的高温下,导弹外壳材料表面严重烧蚀,而距表面6.4mm以下的部位却完好无损。原来,这里使用了能够在分解、融化、升华等多种状态间转化、从而吸收大量热能的防热材料。 此后,受到启发的研究人员在实验基础上研发出轻质、中等弹头尺寸的陶瓷热防护材料,并在1956年配装在大力神导弹上进行飞行测试。经过反复实验改进,美国最终研制出高性能陶瓷热防护材料,为超音速飞行、宇宙航行、火箭发动机等技术扫清了障碍。 最有前途的热防护材料 陶瓷热防护材料有很多种,其中碳/碳复合材料以其优异的性能引起了各国的广泛关注。严格来说,碳/碳复合材料是指用碳纤维增强碳基体的复合材料。除了具有强度高、耐热性好等一系列特点,该复合材料还有一个“独门绝技”,那就是高温下其力学性能不降反升,表现出更高的强度和刚度,因此被研究人员认为是下一代高超声速飞行器最理想的热防护材料。 众所周知,现代楼房之所以坚固,很大程度上得益于钢筋混凝土的发明。碳/碳复合材料如同一面“墙壁”,其中碳纤维是“钢筋”,是唯一能在3000℃以上仍具有高强度的纤维;碳基体是“水泥”,发挥主体的承载烧蚀等作用。单纯的钢筋和水泥都无法建起高达几十层的楼房,但是将二者混合到一起,就可以实现强度和刚度的完美结合。碳/碳复合材料也一样,单纯的碳基体较脆易碎,用碳纤维增强以后就可以利用纤维和碳基体的界面结合作用,从而得到轻质高强的高性能复合材料。 陶瓷热防护材料有对付热量的三重“神功”:第一重是低温下的烧蚀耗热机制,即低温热量通过氧化烧蚀来“内部消化”,由于复合材料所用的陶瓷成分本身的熔点较高,因此可以耐受低温的热量;第二重是中温下通过表面辐射来散失热量,由于碳/碳复合材料的热导率较高,因此可以将热量快速传递和辐射出去,达到迅速散热的效果;第三重是高温下碳材料的升华作用,由于材料表面温度极高,碳基体可以直接升华为气态,从而带走大量的热。 在这三重“神功”的防护下,高超声速飞行器在超音速飞行时,即使气动加热使其外表面温度很高,陶瓷热防护材料也可以保证尖端形状不变、打击精度较高且不影响内部制导电子元器件的正常工作。 各国抢占的科技制高点 陶瓷热防护材料在军事领域具有极高的应用价值。 首先,陶瓷热防护材料大部分都是纤维增强的复合材料,质量更轻。美国X-37B上使用的陶瓷热防护材料密度仅为0.4g/cm3,与生活中泡沫板的密度相当。相比于上世纪使用的高温合金防护材料,陶瓷质量仅相当于原来的三分之一,这对于“为减轻每一克重量而奋斗”的航天领域而言是极大的“利好”。 其次,陶瓷热防护材料耐温极限更高。早期使用的金属材料极限温度仅为1500℃左右,而陶瓷热防护材料可在1700℃下稳定服役,短时间甚至可承受2000-3000℃高温。耐温极限提高后,飞行器就能以更高的速度飞行,从而大大增加实防能力。 最后,陶瓷热防护材料具有制备周期短、成本低、可重复使用的特点。初期使用的高温合金热防护材料需要进行多道工序的加工,制备周期长且造成大量原料浪费。而陶瓷热防护材料可使用模具铺展纤维,可使复杂结构一次成型,周期更短且成本更低。更重要的是,目前陶瓷热防护材料正在向可重复使用的方向发展,将极大降低军事飞行器的维护和制备成本。 目前,世界军事强国都在积极抢占陶瓷热防护材料的“科技高地”。美国在役的陆基战略核导弹——“民兵”系列,使用的就是碳/碳复合材料。美国的X-37B采用了防热/隔热一体化设计的整体增韧抗氧化陶瓷热防护复合结构,在耐温能力、强韧性和制备尺寸等方面均有较大提升。 俄罗斯则在苏联“暴风雪号”航天飞机复合材料防热瓦的基础上加以改进,研制出优异的“防热/隔热一体化”复合材料,经受住了3800℃的烧蚀环境的试验测试。德国在使用温度为1000℃的隔热材料基础上,加入耐高温的氧化锆纤维,研制出具有多层组合结构的新型隔热材料,最高使用温度可达1600℃。 随着飞行器的飞行速度不断提高,热防护技术已成为各军事大国竞相抢占的科技制高点。作为高超声速飞行器“铁布衫”,陶瓷热防护材料也日益成为技术关键点,具有极高的潜在军事价值。

结构问题主要是由氧化和热烧蚀的过程引起的。当极热的空气接触到高超声速飞行的飞行器或物体金属材料表面时,会产生上述情况。为了解决这个问题,在航空发动机和高超声速飞行器中需要使用超高温陶瓷材料。