高超声速飞行器的“铁布衫”

发布:200713 2018-08-02 10:40 阅读:269

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。

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。(来源:解放军报)

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