太空戰(zhàn)機的新外衣

　　2011年3月5日，美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射第二架X-37B軌道試驗飛行器，該飛行器計劃飛行９個月。
　　作為美國空軍花費10年研制的全新空天戰(zhàn)機，X-37B的外形和功能都酷似小型航天飛機，它通過火箭被送入軌道，環(huán)繞地球飛行，然后以滑翔方式返回地面。美國2010年發(fā)射第一架X-37B，按照該國空軍的說法，這種飛行器一旦投入使用，可以執(zhí)行太空偵察、衛(wèi)星修復等任務。外界質(zhì)疑，X-37B不是單純可重復使用的太空戰(zhàn)機，而是美國自愿裁減核武后的秘密武器，其最引人關注的是高超音速飛行速度，有軍事專家評估在6～8馬赫（1馬赫即1倍音速，相當于340.3米/秒的速度）以上，它能在2小時以內(nèi)飛行1.6萬千米、攜帶約5.4噸炸彈或巡航導彈，從美國本土出發(fā)轟炸全球任何一個地方的敵對目標。
　　和所有高超音速飛行器一樣，X-37B要取得成功，它的氣動加熱和熱防護成為其結構設計的一項關鍵技術。
　　
　　氣動加熱和“熱障”問題
　　
　　飛機在空中飛行，會與空氣發(fā)生摩擦，空氣受到阻滯和壓縮，流速降低，動能轉化為熱能，使飛機表面變熱，這就是氣動變熱。飛機的飛行速度越高，氣流對飛機表面的加熱作用也就越大，飛機表面的溫度就越高。當飛行速度在2馬赫時，飛機的迎流面溫升可達100°C。當速度提高到2.5馬赫時，迎流面氣溫能升到200°C。制造飛機最常用的結構材料鋁合金，在200°C的環(huán)境中構件強度就會降低，若飛機表面溫度升得過高，其結構強度會降低，蒙皮和結構容易變形，使得儀表設備失靈，燃料蒸發(fā)或易燃，從而成為影響飛機速度提高的一個障礙，這種現(xiàn)象就是“熱障”。因此，使用鋁合金材料制造的飛機可承受的氣動加熱對應的飛行速度一般不超過2.2馬赫，世界上實用型的超音速飛機大多數(shù)都控制在2.2馬赫速度以內(nèi)，這樣可以充分發(fā)揮飛機的結構效率。
　　若飛行速度再提高，溫度梯度將上升得更高。當飛行速度的馬赫數(shù)為3時，機頭溫度可上升到360°C。
　　
　　跨越熱障
　　
　　最早跨越熱障的飛機有美國的SR-71（中譯名稱為黑鳥）和前蘇聯(lián)的米格-25，它們都達到了3馬赫的飛行速度，其中SR-71高空高速偵察機93％的機體使用了能耐高溫的鈦合金材料。而前蘇聯(lián)在新材料的研究和應用方面落后于美國，因此米高揚設計局選用了不銹鋼和焊接工藝來制造機體的主要結構，不銹鋼材料占機體結構重量的80％，機體上的焊縫長達4000米，焊點多達140萬個。鈦合金和不銹鋼材料幫助SR-71和米格-25成功闖過了“熱障”關。
　　氣動加熱問題對于再入式飛行器（即指需要再入大氣層的飛行器，例如返回式衛(wèi)星、飛船、戰(zhàn)略彈道導彈、以及許多高超聲速飛行器等）的安全尤為重要。因為飛行器在重返大氣層時，速度可達25馬赫，隨著再入大氣層過程中空氣密度的逐漸增加，氣動加熱可使航天飛機或飛船的迎流面溫度達到1400°C，在此溫度下，一般金屬構件都將熔化，飛行器必須使用特殊材料并進行特殊處理，才能避免氣動加熱問題所造成的嚴重后果。
　　解決上述“熱障”問題，可以采用使用耐熱材料、加裝隔熱設備、安裝冷卻系統(tǒng)等，以保證飛行器不會因高溫而損毀。
　　最開始，人們使用燒蝕材料作高溫防護罩。現(xiàn)在，人們通常使用泡沫陶瓷瓦片作為飛行器的高溫防護層。因為陶瓷泡沫瓦片既耐高溫又能起到熱絕緣的作用，可以避免溫度向機艙內(nèi)傳導，使飛行器內(nèi)部結構受到影響。美國的航天飛機就是用2.6萬塊蜂窩結構硅瓷片組成防護層，一般飛船的返回艙迎流面也使用蜂窩硅瓷材料做成防熱大底（通俗來講，就是返回艙底部用于防熱的一個復合材料大蓋子），以保護飛船的返回艙在通過大氣層時能夠承受極高的溫度。
　　耐高溫材料對飛行器的安全飛行至關重要。2003年，美國“哥倫比亞”號航天飛機失事，造成這一事故的原因正是外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機左翼前緣的“增強碳-碳”（即增強碳-碳隔熱板）耐熱復合材料，并形成裂隙。當航天飛機返回經(jīng)過大氣層時，氣動加熱使得航天飛機機身前緣溫度高達1400°C的空氣得以從裂隙沖入左機翼，并融化了機翼和機體的內(nèi)部結構，最終導致了悲劇的發(fā)生。
　　
　　高超音速飛行器的熱防護材料
　　
　　對于物理速度的追求是人類的天性之一，人類對飛行速度的追求是無限的。極速的誘惑，總吸引人們進行無盡的探索……美國、日本、法國、德國、俄羅斯等都在開展6馬赫以上飛行速度的高超聲速飛行器的研制工作，例如美國國防部的國家航空航天倡議（NAI，參見圖２），提出了三個階段高超聲速巡航導彈等一次性系統(tǒng)和可重復使用高超聲速飛行器的技術目標，包括巡航速度、航程、有效載荷等。
　　但“更快”的一個可能后果就是“更熱”，如果飛行速度達到6馬赫，飛行器表面溫度將超過1000℃，這時候就必須選用新的耐高溫和熱防護材料、結構設計和制造工藝技術。
　　高超音速飛行器各部位的氣動加熱溫度不同，結構功能不同，使用的材料、結構和工藝自然也各不相同，所采用的材料主要依據(jù)耐高溫材料與熱結構概念（高溫下抗氧化防護和防氫脆的能力），其中鈦合金能承受的速度為：M3～5（指馬赫數(shù)在3到5）、高溫合金為：M4～8、金屬基復合材料為：M6～8、陶瓷基復合材料為：M6～10、碳/碳、C/SiC 復合材料為：M6～12。
　　前文提到，飛行速度在6馬赫以上、氣動加熱溫度達到1000℃時，采用的耐高溫材料主要有無機化合物和復合材料。
　　無機耐熱材料是指硬度高、脆性好、耐化學腐蝕性能好，而且熔點在1000℃以上的化合物，主要分為金屬與非金屬化合物和非金屬間化合物兩類。前者指的是，如鎢、鉬、鉭、鈮、釩、鉻、鈦、鋯等難熔金屬以及稀土金屬的硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、磷化物和硫化物等；后者包括碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅等。
　　耐熱復合材料主要有碳纖維增強和碳化硅纖維增強、碳化硅陶瓷基復合材料，它們具有耐高溫和輕質(zhì)化的優(yōu)點，所以廣泛應用于航空發(fā)動機和高超音速飛行器蒙皮。
　　
　　高超音速驗證機X-43
　　
　　作為新一代最具代表性的高超音速驗證機，美國的X-43在2004年的試飛中，達到了10馬赫的飛行速度。該機的機身結構是一個冷的整體結構，低溫液氫油箱與機身做成一體。機身的外模線直接加工成所需輪廓，無需使用單個加工的防熱瓦來適應機身的形狀，這使得飛行器的氣動外形更完整，結構更可靠，制造也更簡單。油箱機身由石墨/環(huán)氧框架及蒙皮組成。機身蒙皮由韌化的單塊纖維隔熱層/外覆氧化鋁增強的防熱瓦組成，蒙皮外再覆以熱防護系統(tǒng)。飛機上翼面熱防護層為可剪裁的先進絕緣氈（與航天飛機類似），下翼面為內(nèi)多層屏蔽絕緣物。后者是防熱材料，由碳/碳化硅外面板，中介陶瓷屏、以及先進聚酰亞胺泡沫內(nèi)襯組成。中介陶瓷屏覆以貴金屬，用來降低熱輻射。機翼及垂尾由鎳基合金制成，并有一個由二硼化鋯制成的前緣。頭錐為氫冷卻的NARloy-Z（特指含3％的銀、0.5％鋯的銅的合金結構Cu-3Ag-0.5Zr）結構，頭錐前部采用碳/碳復合材料，為確保動安定性（指遇氣流時逐漸恢復平穩(wěn)飛行的過程），同時也為防熱，頭錐的其余部分表面覆蓋以約400千克的鎢。
　　正是因為有了這些材料和制作方法，才使得X-43可以達到10馬赫的速度，而且能夠抵抗由此造成的氣動高溫傷害。
　　在高超音速飛行器的結構與材料的技術挑戰(zhàn)中，頭錐前部、機翼前緣、發(fā)動機燃燒室及噴管的結構和材料問題是需要面對的最主要的挑戰(zhàn)之一。對于頭錐前部和機翼前緣來說，它們必須能承受1100～1400℃以上的高溫，目前正在開發(fā)包括陶瓷基復合材料及帶涂層的碳/碳復合材料。就燃燒室及噴管而言，其承受的溫度高達1500℃，使用的材料有鎳基及鈷基合金、以及更輕質(zhì)的陶瓷基復合材料。
　　
　　未來的發(fā)展方向
　　
　　西方將高超音速技術作為飛行器技術的重要發(fā)展方向，并開展了多種方案的技術驗證研究，持續(xù)進行長期性基礎材料、制造工藝技術研究開發(fā)工作。高超音速條件下飛行器的外表結構和推進系統(tǒng)的高溫熱防護，不僅僅是耐熱材料的問題，還涉及更先進的熱防護和主動冷卻、結構連接、密封等關鍵技術，實際上，高溫熱防護技術已變成結構設計、材料、工藝等的組合技術。
　　科學家預測，下一代高超音速飛行器將采用一種智能結構，具有自適應熱防護系統(tǒng)及智能化無損檢測裝置，模塊化分布式電子設備，自愈合的飛機結構及表面。發(fā)動機材料將可能使用經(jīng)冷卻的復合材料、金屬基復合材料加力燃燒室殼體、納米相鋁合金及超高溫復合材料。結構材料將包括超高溫樹脂基復合材料、先進的黏接劑及密封劑、低成本耐腐蝕熱防護系統(tǒng)，及復合材料液氧油箱。人們的目標自然是希望能夠耐更高的溫度、更輕質(zhì)、更耐腐蝕的材料，更重要的是降低材料制備成本和制造技術成本，以期普遍性的應用，使高超音速飛行器可以大規(guī)模裝備并有可能投入商業(yè)性運營。
　　 【責任編輯】 趙 菲