高超聲速飛行器的“鐵布衫”

高超聲速飛行器，其飛行速度等于或大于5倍聲速，每小時至少可飛行6120公里。如此高速飛行，需確保飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件承受劇烈的空氣摩擦及高達(dá)2000-3000℃的熱氣流沖擊而不被破壞。在高超聲速熱防護(hù)領(lǐng)域，陶瓷材料以其高熔點的特性脫穎而出，成為各大國競相研發(fā)的優(yōu)選材料，而陶瓷熱防護(hù)技術(shù)也成為高超聲速飛行器能否安全飛行的關(guān)鍵技術(shù)。 &_<!zJ;Hn  
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熱防護(hù)是一道世界難題 $mDlS  
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2003年，美國哥倫比亞號航天飛機(jī)發(fā)射后不久解體，搭載的7名航天員全部罹難。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在飛機(jī)發(fā)射82秒后，一塊熱防護(hù)材料從燃料箱上掉落，擊中了哥倫比亞號左翼的復(fù)合材料板，1400℃的高溫氣體竄入內(nèi)部，陸續(xù)燒毀了溫度傳感器，導(dǎo)致飛機(jī)左翼失去平衡。在強烈的搖擺中，飛機(jī)解體墜毀。這是一場令世界震驚的由熱防護(hù)材料失效引發(fā)的災(zāi)難性事故。 I
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如何實現(xiàn)對高速飛行器的熱防護(hù)？該項技術(shù)的難度在美國的探尋歷程中可見一斑。 N._&\fHY  
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1952年，美國首先提出將導(dǎo)彈頭部做成鈍形，可以提供較厚的激波層，耗散大量能量從而減少導(dǎo)彈表面的氣動加熱。但后續(xù)實驗發(fā)現(xiàn)，仍有大量的熱傳遞到導(dǎo)彈表面。隨后，研究人員提出使用高熱容的材料吸走飛行器表面的能量，后由于吸熱量不夠且過于笨重而放棄。 ]n&Eb88  
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1955年，美國陸軍導(dǎo)彈局在一次試驗中發(fā)現(xiàn)，在2570℃的高溫下，導(dǎo)彈外殼材料表面嚴(yán)重?zé)�蝕，而距表面6.4mm以下的部位卻完好無損。原來，這里使用了能夠在分解、融化、升華等多種狀態(tài)間轉(zhuǎn)化、從而吸收大量熱能的防熱材料。 Ub*O*nre  
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此后，受到啟發(fā)的研究人員在實驗基礎(chǔ)上研發(fā)出輕質(zhì)、中等彈頭尺寸的陶瓷熱防護(hù)材料，并在1956年配裝在大力神導(dǎo)彈上進(jìn)行飛行測試。經(jīng)過反復(fù)實驗改進(jìn)，美國最終研制出高性能陶瓷熱防護(hù)材料，為超音速飛行、宇宙航行、火箭發(fā)動機(jī)等技術(shù)掃清了障礙。 `Ct fe
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最有前途的熱防護(hù)材料 ~*^aCuq\  
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陶瓷熱防護(hù)材料有很多種，其中碳/碳復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能引起了各國的廣泛關(guān)注。嚴(yán)格來說，碳/碳復(fù)合材料是指用碳纖維增強碳基體的復(fù)合材料。除了具有強度高、耐熱性好等一系列特點，該復(fù)合材料還有一個“獨門絕技”，那就是高溫下其力學(xué)性能不降反升，表現(xiàn)出更高的強度和剛度，因此被研究人員認(rèn)為是下一代高超聲速飛行器最理想的熱防護(hù)材料。 0r'<aA`=I  
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眾所周知，現(xiàn)代樓房之所以堅固，很大程度上得益于鋼筋混凝土的發(fā)明。碳/碳復(fù)合材料如同一面“墻壁”，其中碳纖維是“鋼筋”，是唯一能在3000℃以上仍具有高強度的纖維；碳基體是“水泥”，發(fā)揮主體的承載燒蝕等作用。單純的鋼筋和水泥都無法建起高達(dá)幾十層的樓房，但是將二者混合到一起，就可以實現(xiàn)強度和剛度的完美結(jié)合。碳/碳復(fù)合材料也一樣，單純的碳基體較脆易碎，用碳纖維增強以后就可以利用纖維和碳基體的界面結(jié)合作用，從而得到輕質(zhì)高強的高性能復(fù)合材料。 8\_