高超聲速飛行器，其飛行速度等于或大于5倍聲速，每小時(shí)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(diǎn)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)。

熱防護(hù)是一道世界難題

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(qiáng)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。

如何實(shí)現(xiàn)對高速飛行器的熱防護(hù)？該項(xiàng)技術(shù)的難度在美國的探尋歷程中可見一斑。

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(shí)驗(yàn)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。

1955年，美國陸軍導(dǎo)彈局在一次試驗(yàn)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。

此后，受到啟發(fā)的研究人員在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。

最有前途的熱防護(hù)材料

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(qiáng)碳基體的復(fù)合材料。除了具有強(qiáng)度高、耐熱性好等一系列特點(diǎn)，該復(fù)合材料還有一個(gè)“獨(dú)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(qiáng)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。

眾所周知，現(xiàn)代樓房之所以堅(jiān)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)的高性能復(fù)合材料。

陶瓷熱防護(hù)材料有對付熱量的三重“神功”：第一重是低溫下的燒蝕耗熱機(jī)制，即低溫?zé)崃客ㄟ^氧化燒蝕來“內(nèi)部消化”，由于復(fù)合材料所用的陶瓷成分本身的熔點(diǎn)較高，因此可以耐受低溫的熱量；第二重是中溫下通過表面輻射來散失熱量，由于碳/碳復(fù)合材料的熱導(dǎo)率較高，因此可以將熱量快速傳遞和輻射出去，達(dá)到迅速散熱的效果；第三重是高溫下碳材料的升華作用，由于材料表面溫度極高，碳基體可以直接升華為氣態(tài)，從而帶走大量的熱。

在這三重“神功”的防護(hù)下，高超聲速飛行器在超音速飛行時(shí)，即使氣動加熱使其外表面溫度很高，陶瓷熱防護(hù)材料也可以保證尖端形狀不變、打擊精度較高且不影響內(nèi)部制導(dǎo)電子元器件的正常工作。

各國搶占的科技制高點(diǎn)

陶瓷熱防護(hù)材料在軍事領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

首先，陶瓷熱防護(hù)材料大部分都是纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，質(zhì)量更輕。美國X-37B上使用的陶瓷熱防護(hù)材料密度僅為0.4g/cm3，與生活中泡沫板的密度相當(dāng)。相比于上世紀(jì)使用的高溫合金防護(hù)材料，陶瓷質(zhì)量僅相當(dāng)于原來的三分之一，這對于“為減輕每一克重量而奮斗”的航天領(lǐng)域而言是極大的“利好”。

其次，陶瓷熱防護(hù)材料耐溫極限更高。早期使用的金屬材料極限溫度僅為1500℃左右，而陶瓷熱防護(hù)材料可在1700℃下穩(wěn)定服役，短時(shí)間甚至可承受2000-3000℃高溫。耐溫極限提高后，飛行器就能以更高的速度飛行，從而大大增加實(shí)防能力。

最后，陶瓷熱防護(hù)材料具有制備周期短、成本低、可重復(fù)使用的特點(diǎn)。初期使用的高溫合金熱防護(hù)材料需要進(jìn)行多道工序的加工，制備周期長且造成大量原料浪費(fèi)。而陶瓷熱防護(hù)材料可使用模具鋪展纖維，可使復(fù)雜結(jié)構(gòu)一次成型，周期更短且成本更低。更重要的是，目前陶瓷熱防護(hù)材料正在向可重復(fù)使用的方向發(fā)展，將極大降低軍事飛行器的維護(hù)和制備成本。

目前，世界軍事強(qiáng)國都在積極搶占陶瓷熱防護(hù)材料的“科技高地”。美國在役的陸基戰(zhàn)略核導(dǎo)彈——“民兵”系列，使用的就是碳/碳復(fù)合材料。美國的X-37B采用了防熱/隔熱一體化設(shè)計(jì)的整體增韌抗氧化陶瓷熱防護(hù)復(fù)合結(jié)構(gòu)，在耐溫能力、強(qiáng)韌性和制備尺寸等方面均有較大提升。

俄羅斯則在蘇聯(lián)“暴風(fēng)雪號”航天飛機(jī)復(fù)合材料防熱瓦的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，研制出優(yōu)異的“防熱/隔熱一體化”復(fù)合材料，經(jīng)受住了3800℃的燒蝕環(huán)境的試驗(yàn)測試。德國在使用溫度為1000℃的隔熱材料基礎(chǔ)上，加入耐高溫的氧化鋯纖維，研制出具有多層組合結(jié)構(gòu)的新型隔熱材料，最高使用溫度可達(dá)1600℃。

隨著飛行器的飛行速度不斷提高，熱防護(hù)技術(shù)已成為各軍事大國競相搶占的科技制高點(diǎn)。作為高超聲速飛行器“鐵布衫”，陶瓷熱防護(hù)材料也日益成為技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，具有極高的潛在軍事價(jià)值。（來源：解放軍報(bào)）