太空战机的新外衣
2011年3月5日，美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功发射第二架X-37B轨道试验飞行器，该飞行器计划飞行9个月。
作为美国空军花费10年研制的全新空天战机，X-37B的外形和功能都酷似小型航天飞机，它通过火箭被送入轨道，环绕地球飞行，然后以滑翔方式返回地面。美国2010年发射第一架X-37B，按照该国空军的说法，这种飞行器一旦投入使用，可以执行太空侦察、卫星修复等任务。外界质疑，X-37B不是单纯可重复使用的太空战机，而是美国自愿裁减核武后的秘密武器，其最引人关注的是高超音速飞行速度，有军事专家评估在6～8马赫(1马赫即1倍音速，相当于340.3米/秒的速度)以上，它能在2小时以内飞行1.6万千米、携带约5.4吨炸弹或巡航导弹，从美国本土出发轰炸全球任何一个地方的敌对目标。
和所有高超音速飞行器一样，X-37B要取得成功，它的气动加热和热防护成为其结构设计的一项关键技术。
气动加热和“热障”问题
, http://www.100md.com
飞机在空中飞行，会与空气发生摩擦，空气受到阻滞和压缩，流速降低，动能转化为热能，使飞机表面变热，这就是气动变热。飞机的飞行速度越高，气流对飞机表面的加热作用也就越大，飞机表面的温度就越高。当飞行速度在2马赫时，飞机的迎流面温升可达100°C。当速度提高到2.5马赫时，迎流面气温能升到200°C。制造飞机最常用的结构材料铝合金，在200°C的环境中构件强度就会降低，若飞机表面温度升得过高，其结构强度会降低，蒙皮和结构容易变形，使得仪表设备失灵，燃料蒸发或易燃，从而成为影响飞机速度提高的一个障碍，这种现象就是“热障”。因此，使用铝合金材料制造的飞机可承受的气动加热对应的飞行速度一般不超过2.2马赫，世界上实用型的超音速飞机大多数都控制在2.2马赫速度以内，这样可以充分发挥飞机的结构效率。
若飞行速度再提高，温度梯度将上升得更高。当飞行速度的马赫数为3时，机头温度可上升到360°C。
跨越热障
, 百拇医药
最早跨越热障的飞机有美国的SR-71(中译名称为黑鸟)和前苏联的米格-25，它们都达到了3马赫的飞行速度，其中SR-71高空高速侦察机93%的机体使用了能耐高温的钛合金材料。而前苏联在新材料的研究和应用方面落后于美国，因此米高扬设计局选用了不锈钢和焊接工艺来制造机体的主要结构，不锈钢材料占机体结构重量的80%，机体上的焊缝长达4000米，焊点多达140万个。钛合金和不锈钢材料帮助SR-71和米格-25成功闯过了“热障”关。
气动加热问题对于再入式飞行器(即指需要再入大气层的飞行器，例如返回式卫星、飞船、战略弹道导弹、以及许多高超声速飞行器等)的安全尤为重要。因为飞行器在重返大气层时，速度可达25马赫，随着再入大气层过程中空气密度的逐渐增加，气动加热可使航天飞机或飞船的迎流面温度达到1400°C，在此温度下，一般金属构件都将熔化，飞行器必须使用特殊材料并进行特殊处理，才能避免气动加热问题所造成的严重后果。
解决上述“热障”问题，可以采用使用耐热材料、加装隔热设备、安装冷却系统等，以保证飞行器不会因高温而损毁。
, 百拇医药
最开始，人们使用烧蚀材料作高温防护罩。现在，人们通常使用泡沫陶瓷瓦片作为飞行器的高温防护层。因为陶瓷泡沫瓦片既耐高温又能起到热绝缘的作用，可以避免温度向机舱内传导，使飞行器内部结构受到影响。美国的航天飞机就是用2.6万块蜂窝结构硅瓷片组成防护层，一般飞船的返回舱迎流面也使用蜂窝硅瓷材料做成防热大底(通俗来讲，就是返回舱底部用于防热的一个复合材料大盖子)，以保护飞船的返回舱在通过大气层时能够承受极高的温度。
耐高温材料对飞行器的安全飞行至关重要。2003年，美国“哥伦比亚”号航天飞机失事，造成这一事故的原因正是外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的“增强碳-碳”(即增强碳-碳隔热板)耐热复合材料，并形成裂隙。当航天飞机返回经过大气层时，气动加热使得航天飞机机身前缘温度高达1400°C的空气得以从裂隙冲入左机翼，并融化了机翼和机体的内部结构，最终导致了悲剧的发生。
高超音速飞行器的热防护材料
, 百拇医药
对于物理速度的追求是人类的天性之一，人类对飞行速度的追求是无限的。极速的诱惑，总吸引人们进行无尽的探索……美国、日本、法国、德国、俄罗斯等都在开展6马赫以上飞行速度的高超声速飞行器的研制工作，例如美国国防部的国家航空航天倡议(NAI，参见图2)，提出了三个阶段高超声速巡航导弹等一次性系统和可重复使用高超声速飞行器的技术目标，包括巡航速度、航程、有效载荷等。
但“更快”的一个可能后果就是“更热”，如果飞行速度达到6马赫，飞行器表面温度将超过1000℃，这时候就必须选用新的耐高温和热防护材料、结构设计和制造工艺技术。
高超音速飞行器各部位的气动加热温度不同，结构功能不同，使用的材料、结构和工艺自然也各不相同，所采用的材料主要依据耐高温材料与热结构概念(高温下抗氧化防护和防氢脆的能力)，其中钛合金能承受的速度为：M3～5(指马赫数在3到5)、高温合金为：M4～8、金属基复合材料为：M6～8、陶瓷基复合材料为：M6～10、碳/碳、C/SiC 复合材料为：M6～12。
, 百拇医药
前文提到，飞行速度在6马赫以上、气动加热温度达到1000℃时，采用的耐高温材料主要有无机化合物和复合材料。
无机耐热材料是指硬度高、脆性好、耐化学腐蚀性能好，而且熔点在1000℃以上的化合物，主要分为金属与非金属化合物和非金属间化合物两类。前者指的是，如钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆等难熔金属以及稀土金属的硼化物、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。
耐热复合材料主要有碳纤维增强和碳化硅纤维增强、碳化硅陶瓷基复合材料，它们具有耐高温和轻质化的优点，所以广泛应用于航空发动机和高超音速飞行器蒙皮。
高超音速验证机X-43
作为新一代最具代表性的高超音速验证机，美国的X-43在2004年的试飞中，达到了10马赫的飞行速度。该机的机身结构是一个冷的整体结构，低温液氢油箱与机身做成一体。机身的外模线直接加工成所需轮廓，无需使用单个加工的防热瓦来适应机身的形状，这使得飞行器的气动外形更完整，结构更可靠，制造也更简单。油箱机身由石墨/环氧框架及蒙皮组成。机身蒙皮由韧化的单块纤维隔热层/外覆氧化铝增强的防热瓦组成，蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的先进绝缘毡(与航天飞机类似)，下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是防热材料，由碳/碳化硅外面板，中介陶瓷屏、以及先进聚酰亚胺泡沫内衬组成。中介陶瓷屏覆以贵金属，用来降低热辐射。机翼及垂尾由镍基合金制成，并有一个由二硼化锆制成的前缘。头锥为氢冷却的NARloy-Z(特指含3%的银、0.5%锆的铜的合金结构Cu-3Ag-0.5Zr)结构，头锥前部采用碳/碳复合材料，为确保动安定性(指遇气流时逐渐恢复平稳飞行的过程)，同时也为防热，头锥的其余部分表面覆盖以约400千克的钨。
, 百拇医药
正是因为有了这些材料和制作方法，才使得X-43可以达到10马赫的速度，而且能够抵抗由此造成的气动高温伤害。
在高超音速飞行器的结构与材料的技术挑战中，头锥前部、机翼前缘、发动机燃烧室及喷管的结构和材料问题是需要面对的最主要的挑战之一。对于头锥前部和机翼前缘来说，它们必须能承受1100～1400℃以上的高温，目前正在开发包括陶瓷基复合材料及带涂层的碳/碳复合材料。就燃烧室及喷管而言，其承受的温度高达1500℃，使用的材料有镍基及钴基合金、以及更轻质的陶瓷基复合材料。
未来的发展方向
西方将高超音速技术作为飞行器技术的重要发展方向，并开展了多种方案的技术验证研究，持续进行长期性基础材料、制造工艺技术研究开发工作。高超音速条件下飞行器的外表结构和推进系统的高温热防护，不仅仅是耐热材料的问题，还涉及更先进的热防护和主动冷却、结构连接、密封等关键技术，实际上，高温热防护技术已变成结构设计、材料、工艺等的组合技术。
科学家预测，下一代高超音速飞行器将采用一种智能结构，具有自适应热防护系统及智能化无损检测装置，模块化分布式电子设备，自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、纳米相铝合金及超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、先进的黏接剂及密封剂、低成本耐腐蚀热防护系统，及复合材料液氧油箱。人们的目标自然是希望能够耐更高的温度、更轻质、更耐腐蚀的材料，更重要的是降低材料制备成本和制造技术成本，以期普遍性的应用，使高超音速飞行器可以大规模装备并有可能投入商业性运营。
【责任编辑】 赵 菲, 百拇医药(李军)
作为美国空军花费10年研制的全新空天战机，X-37B的外形和功能都酷似小型航天飞机，它通过火箭被送入轨道，环绕地球飞行，然后以滑翔方式返回地面。美国2010年发射第一架X-37B，按照该国空军的说法，这种飞行器一旦投入使用，可以执行太空侦察、卫星修复等任务。外界质疑，X-37B不是单纯可重复使用的太空战机，而是美国自愿裁减核武后的秘密武器，其最引人关注的是高超音速飞行速度，有军事专家评估在6～8马赫(1马赫即1倍音速，相当于340.3米/秒的速度)以上，它能在2小时以内飞行1.6万千米、携带约5.4吨炸弹或巡航导弹，从美国本土出发轰炸全球任何一个地方的敌对目标。
和所有高超音速飞行器一样，X-37B要取得成功，它的气动加热和热防护成为其结构设计的一项关键技术。
气动加热和“热障”问题
, http://www.100md.com
飞机在空中飞行，会与空气发生摩擦，空气受到阻滞和压缩，流速降低，动能转化为热能，使飞机表面变热，这就是气动变热。飞机的飞行速度越高，气流对飞机表面的加热作用也就越大，飞机表面的温度就越高。当飞行速度在2马赫时，飞机的迎流面温升可达100°C。当速度提高到2.5马赫时，迎流面气温能升到200°C。制造飞机最常用的结构材料铝合金，在200°C的环境中构件强度就会降低，若飞机表面温度升得过高，其结构强度会降低，蒙皮和结构容易变形，使得仪表设备失灵，燃料蒸发或易燃，从而成为影响飞机速度提高的一个障碍，这种现象就是“热障”。因此，使用铝合金材料制造的飞机可承受的气动加热对应的飞行速度一般不超过2.2马赫，世界上实用型的超音速飞机大多数都控制在2.2马赫速度以内，这样可以充分发挥飞机的结构效率。
若飞行速度再提高，温度梯度将上升得更高。当飞行速度的马赫数为3时，机头温度可上升到360°C。
跨越热障
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最早跨越热障的飞机有美国的SR-71(中译名称为黑鸟)和前苏联的米格-25，它们都达到了3马赫的飞行速度，其中SR-71高空高速侦察机93%的机体使用了能耐高温的钛合金材料。而前苏联在新材料的研究和应用方面落后于美国，因此米高扬设计局选用了不锈钢和焊接工艺来制造机体的主要结构，不锈钢材料占机体结构重量的80%，机体上的焊缝长达4000米，焊点多达140万个。钛合金和不锈钢材料帮助SR-71和米格-25成功闯过了“热障”关。
气动加热问题对于再入式飞行器(即指需要再入大气层的飞行器，例如返回式卫星、飞船、战略弹道导弹、以及许多高超声速飞行器等)的安全尤为重要。因为飞行器在重返大气层时，速度可达25马赫，随着再入大气层过程中空气密度的逐渐增加，气动加热可使航天飞机或飞船的迎流面温度达到1400°C，在此温度下，一般金属构件都将熔化，飞行器必须使用特殊材料并进行特殊处理，才能避免气动加热问题所造成的严重后果。
解决上述“热障”问题，可以采用使用耐热材料、加装隔热设备、安装冷却系统等，以保证飞行器不会因高温而损毁。
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最开始，人们使用烧蚀材料作高温防护罩。现在，人们通常使用泡沫陶瓷瓦片作为飞行器的高温防护层。因为陶瓷泡沫瓦片既耐高温又能起到热绝缘的作用，可以避免温度向机舱内传导，使飞行器内部结构受到影响。美国的航天飞机就是用2.6万块蜂窝结构硅瓷片组成防护层，一般飞船的返回舱迎流面也使用蜂窝硅瓷材料做成防热大底(通俗来讲，就是返回舱底部用于防热的一个复合材料大盖子)，以保护飞船的返回舱在通过大气层时能够承受极高的温度。
耐高温材料对飞行器的安全飞行至关重要。2003年，美国“哥伦比亚”号航天飞机失事，造成这一事故的原因正是外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前缘的“增强碳-碳”(即增强碳-碳隔热板)耐热复合材料，并形成裂隙。当航天飞机返回经过大气层时，气动加热使得航天飞机机身前缘温度高达1400°C的空气得以从裂隙冲入左机翼，并融化了机翼和机体的内部结构，最终导致了悲剧的发生。
高超音速飞行器的热防护材料
, 百拇医药
对于物理速度的追求是人类的天性之一，人类对飞行速度的追求是无限的。极速的诱惑，总吸引人们进行无尽的探索……美国、日本、法国、德国、俄罗斯等都在开展6马赫以上飞行速度的高超声速飞行器的研制工作，例如美国国防部的国家航空航天倡议(NAI，参见图2)，提出了三个阶段高超声速巡航导弹等一次性系统和可重复使用高超声速飞行器的技术目标，包括巡航速度、航程、有效载荷等。
但“更快”的一个可能后果就是“更热”，如果飞行速度达到6马赫，飞行器表面温度将超过1000℃，这时候就必须选用新的耐高温和热防护材料、结构设计和制造工艺技术。
高超音速飞行器各部位的气动加热温度不同，结构功能不同，使用的材料、结构和工艺自然也各不相同，所采用的材料主要依据耐高温材料与热结构概念(高温下抗氧化防护和防氢脆的能力)，其中钛合金能承受的速度为：M3～5(指马赫数在3到5)、高温合金为：M4～8、金属基复合材料为：M6～8、陶瓷基复合材料为：M6～10、碳/碳、C/SiC 复合材料为：M6～12。
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前文提到，飞行速度在6马赫以上、气动加热温度达到1000℃时，采用的耐高温材料主要有无机化合物和复合材料。
无机耐热材料是指硬度高、脆性好、耐化学腐蚀性能好，而且熔点在1000℃以上的化合物，主要分为金属与非金属化合物和非金属间化合物两类。前者指的是，如钨、钼、钽、铌、钒、铬、钛、锆等难熔金属以及稀土金属的硼化物、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。
耐热复合材料主要有碳纤维增强和碳化硅纤维增强、碳化硅陶瓷基复合材料，它们具有耐高温和轻质化的优点，所以广泛应用于航空发动机和高超音速飞行器蒙皮。
高超音速验证机X-43
作为新一代最具代表性的高超音速验证机，美国的X-43在2004年的试飞中，达到了10马赫的飞行速度。该机的机身结构是一个冷的整体结构，低温液氢油箱与机身做成一体。机身的外模线直接加工成所需轮廓，无需使用单个加工的防热瓦来适应机身的形状，这使得飞行器的气动外形更完整，结构更可靠，制造也更简单。油箱机身由石墨/环氧框架及蒙皮组成。机身蒙皮由韧化的单块纤维隔热层/外覆氧化铝增强的防热瓦组成，蒙皮外再覆以热防护系统。飞机上翼面热防护层为可剪裁的先进绝缘毡(与航天飞机类似)，下翼面为内多层屏蔽绝缘物。后者是防热材料，由碳/碳化硅外面板，中介陶瓷屏、以及先进聚酰亚胺泡沫内衬组成。中介陶瓷屏覆以贵金属，用来降低热辐射。机翼及垂尾由镍基合金制成，并有一个由二硼化锆制成的前缘。头锥为氢冷却的NARloy-Z(特指含3%的银、0.5%锆的铜的合金结构Cu-3Ag-0.5Zr)结构，头锥前部采用碳/碳复合材料，为确保动安定性(指遇气流时逐渐恢复平稳飞行的过程)，同时也为防热，头锥的其余部分表面覆盖以约400千克的钨。
, 百拇医药
正是因为有了这些材料和制作方法，才使得X-43可以达到10马赫的速度，而且能够抵抗由此造成的气动高温伤害。
在高超音速飞行器的结构与材料的技术挑战中，头锥前部、机翼前缘、发动机燃烧室及喷管的结构和材料问题是需要面对的最主要的挑战之一。对于头锥前部和机翼前缘来说，它们必须能承受1100～1400℃以上的高温，目前正在开发包括陶瓷基复合材料及带涂层的碳/碳复合材料。就燃烧室及喷管而言，其承受的温度高达1500℃，使用的材料有镍基及钴基合金、以及更轻质的陶瓷基复合材料。
未来的发展方向
西方将高超音速技术作为飞行器技术的重要发展方向，并开展了多种方案的技术验证研究，持续进行长期性基础材料、制造工艺技术研究开发工作。高超音速条件下飞行器的外表结构和推进系统的高温热防护，不仅仅是耐热材料的问题，还涉及更先进的热防护和主动冷却、结构连接、密封等关键技术，实际上，高温热防护技术已变成结构设计、材料、工艺等的组合技术。
科学家预测，下一代高超音速飞行器将采用一种智能结构，具有自适应热防护系统及智能化无损检测装置，模块化分布式电子设备，自愈合的飞机结构及表面。发动机材料将可能使用经冷却的复合材料、金属基复合材料加力燃烧室壳体、纳米相铝合金及超高温复合材料。结构材料将包括超高温树脂基复合材料、先进的黏接剂及密封剂、低成本耐腐蚀热防护系统，及复合材料液氧油箱。人们的目标自然是希望能够耐更高的温度、更轻质、更耐腐蚀的材料，更重要的是降低材料制备成本和制造技术成本，以期普遍性的应用，使高超音速飞行器可以大规模装备并有可能投入商业性运营。
【责任编辑】 赵 菲, 百拇医药(李军)