據(jù)外媒報(bào)道，近日，法國(guó)首次公開了新型超聲速核導(dǎo)彈ASMPA-R的清晰圖像，其下一代高超聲速導(dǎo)彈已在研制中。下一代高超聲速導(dǎo)彈計(jì)劃采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)計(jì)2035年列裝。

不僅僅是法國(guó)，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、韓國(guó)、印度等多個(gè)國(guó)家，都在持續(xù)推進(jìn)各自的高超聲速飛行器研制計(jì)劃。

在人類科技發(fā)展的歷程中，高超聲速飛行器被很多國(guó)家視為未來(lái)科技競(jìng)爭(zhēng)新的制高點(diǎn)。

不過(guò)，飛行器突破極限時(shí)，也伴隨著堪稱“火焰煉獄”般的終極挑戰(zhàn)。想象一下，當(dāng)飛行器以超聲速在大氣層邊緣或內(nèi)部狂飆突進(jìn)時(shí)，因高速氣流引起機(jī)體表面溫度急劇升高會(huì)產(chǎn)生一系列不利現(xiàn)象，科學(xué)家們稱之為“熱障”。在今年的中國(guó)科協(xié)年會(huì)上，有關(guān)專家圍繞這道在高超聲速時(shí)代演變得強(qiáng)度、廣度和復(fù)雜性都呈幾何級(jí)飆升的“新熱障”進(jìn)行了深入探討。

這種“新熱障”，既是橫亙?cè)诟叱曀亠w行器發(fā)展前路的“攔路虎”，也讓科學(xué)家和工程師們不斷尋求新對(duì)策，釋放出高超聲速飛行器的更多潛能。

本期，就讓我們撥開“熱障”的迷霧，回顧與展望這場(chǎng)人類智慧與無(wú)形烈焰的巔峰對(duì)決。

高超聲速飛行器如何突破“新熱障”

■陳 健　李金龍　解放軍報(bào)特約記者　張照星

與烈焰共舞——

更快速度帶來(lái)更大挑戰(zhàn)

超聲速飛行，會(huì)讓空氣發(fā)出刺耳的“尖叫”。高超聲速飛行更是驚人，其速度最低門檻是5馬赫，即5倍聲速。然而，速度飆升的同時(shí)，帶來(lái)了“熱障”的困擾。

當(dāng)飛行器破空疾馳時(shí)，劇烈的摩擦和擠壓，將巨大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了灼人的熱能，這就是“氣動(dòng)加熱”。普通金屬在爐火中會(huì)變軟、熔化甚至燒毀。在飛行器上，這種升溫帶來(lái)的后果更加致命：材料強(qiáng)度崩潰、結(jié)構(gòu)扭曲變形、內(nèi)部精密儀器被烤成廢鐵……俄羅斯“先鋒”導(dǎo)彈某次試射過(guò)程中，因局部熱應(yīng)力超出材料疲勞極限，導(dǎo)致熱防護(hù)層出現(xiàn)燒蝕損傷，影響了導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的完整性。

高超聲速飛行時(shí)，飛行器表面溫度會(huì)飆升到1000～2000℃。更嚴(yán)峻的是，任務(wù)往往需要高超聲速飛行器在這種極端高溫環(huán)境下堅(jiān)持?jǐn)?shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)，熱量的累積效應(yīng)考驗(yàn)著材料和結(jié)構(gòu)的耐久極限。

超聲速飛行產(chǎn)生的熱量，主要來(lái)自空氣與機(jī)身的摩擦。高超聲速飛行則不同。當(dāng)高超聲速飛行器破開空氣時(shí)，氣流與飛行器表面不斷糾纏，產(chǎn)生了3大塑造熱流的關(guān)鍵現(xiàn)象：激波、邊界層分離和湍流。它們?nèi)缤?位手法各異的“火焰雕塑師”，共同決定了熱量在飛行器身上的分布圖景和灼燒強(qiáng)度。

當(dāng)高超聲速飛行器尖銳的前緣迎面撞上氣流時(shí)，仿佛撞上了一堵無(wú)形的“高壓氣墻”，這就是激波。穿過(guò)這道激波，空氣的溫度、壓強(qiáng)和密度直線飆升，將熱流如高壓水槍般射向飛行器表面。

在某些區(qū)域，緊貼飛行器表面的低速氣流層會(huì)從表面“剝離”開來(lái)，這就是邊界層分離。這種剝離會(huì)完全打亂原本相對(duì)規(guī)整的熱流分布，在某些地方形成意想不到的“高熱孤島”，極易引發(fā)局部過(guò)熱燒蝕。

湍流更是讓熱流變得難以預(yù)測(cè)。它的特性極其敏感，飛行器表面一絲微小的粗糙起伏或是幾何形狀的微小改變，都可能讓它“性情大變”，讓熱流預(yù)測(cè)如同霧里看花。

高超聲速飛行產(chǎn)生的高溫是全方位的，幾乎覆蓋了整個(gè)飛行器表面。長(zhǎng)時(shí)間炙烤會(huì)導(dǎo)致飛行器整體結(jié)構(gòu)軟化變形，材料性能迅速退化，甚至連其內(nèi)部的電子設(shè)備也會(huì)受高溫影響而失靈。此時(shí)，單一部位的“耐熱墊”徹底失效。隨著高超聲速飛行器速度極限的一再突破，一場(chǎng)從飛行器的整體構(gòu)型、熱防護(hù)系統(tǒng)到內(nèi)部熱管理的全面“防火革命”已經(jīng)刻不容緩。

韓國(guó)新型高超聲速空對(duì)地導(dǎo)彈。資料圖片

與氣流糾纏——

多重解困需要多領(lǐng)域協(xié)同

在高超聲速的極端熔爐里，氣動(dòng)加熱、材料性能與結(jié)構(gòu)力學(xué)這三者并非各自為戰(zhàn)，而是深度糾纏、互為因果，形成了一個(gè)危險(xiǎn)的“死亡三角”閉環(huán)：氣動(dòng)加熱將飛行器表面烤得通紅，材料在烈焰中強(qiáng)度下降、剛度減弱，甚至發(fā)生燒蝕或微觀結(jié)構(gòu)劣化。于是結(jié)構(gòu)開始變形、扭曲，或產(chǎn)生不穩(wěn)定的振動(dòng)。結(jié)構(gòu)的變形又反過(guò)來(lái)改變了其周圍的氣流形態(tài)，從而再次影響氣動(dòng)加熱的分布和強(qiáng)度，形成新的熱流沖擊。美國(guó)HTV-2“獵鷹”高超聲速飛行器第二次試飛失敗，就是因?yàn)楦邿崃髦率癸w行器翼前緣多層碳布被燒毀，影響了氣動(dòng)性能，最終導(dǎo)致飛行器失控。

這種危險(xiǎn)的相互作用，在具體材料層面體現(xiàn)得更為驚心。

比如陶瓷基復(fù)合材料，在持續(xù)高溫下，其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)悄然變化，性能逐漸衰退。同時(shí)，氣動(dòng)加熱帶來(lái)的巨大熱應(yīng)力會(huì)在材料內(nèi)部不斷累積。當(dāng)這股應(yīng)力超過(guò)材料的承受極限時(shí)，微小的裂紋便會(huì)產(chǎn)生。這些裂紋如同堤壩上的蟻穴，不僅削弱了材料本身的強(qiáng)度，還成為高溫氣體向內(nèi)侵襲的通道，進(jìn)一步破壞熱防護(hù)效果，危及整體結(jié)構(gòu)安全。

再如金屬基復(fù)合材料，高溫下，金屬基體會(huì)像黃油般軟化，增強(qiáng)纖維或顆粒的性能也可能變化，再加上氣動(dòng)加熱本身的不均勻性，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極其復(fù)雜的三維變形，給飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師和熱防護(hù)工程師帶來(lái)噩夢(mèng)般的難題。

因此，要解開“新熱障”的死結(jié)，絕非單一學(xué)科的獨(dú)角戲。它需要?dú)鈩?dòng)熱力學(xué)、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等領(lǐng)域的頂尖大腦深度融合，協(xié)同作戰(zhàn)。一方面，要通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬，在虛擬世界中精確再現(xiàn)氣流、材料、結(jié)構(gòu)三者間的復(fù)雜“死亡探戈”；另一方面，還要在真實(shí)的地面試驗(yàn)設(shè)備中，將材料和結(jié)構(gòu)投入模擬高超環(huán)境的烈焰熔爐進(jìn)行嚴(yán)酷考驗(yàn)，才能為未來(lái)飛行器的設(shè)計(jì)提供理論基石和試驗(yàn)鐵證。

印度BM-04高超聲速?gòu)椀缹?dǎo)彈。資料圖片

與熱障博弈——

多措并舉解決熱流之困

面對(duì)“新熱障”，傳統(tǒng)的被動(dòng)防御，如航天飛機(jī)上使用的隔熱瓦片，或者發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面的熱障涂層，漸漸顯得力不從心。在應(yīng)對(duì)高超聲速新熱障問(wèn)題上，中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)均通過(guò)材料創(chuàng)新、主動(dòng)與被動(dòng)防護(hù)技術(shù)結(jié)合、系統(tǒng)集成優(yōu)化等措施，不斷提出自己的解決方案。目前，主要分為兩條路徑。

第一條路是主動(dòng)出擊。主動(dòng)熱防護(hù)的精髓在于“主動(dòng)”二字，它不需要硬扛烈焰，而是巧妙地調(diào)節(jié)能量的輸入或輸出，降低流向飛行器表面的“火蛇”。一種方法是借鑒生命的循環(huán)系統(tǒng)，讓冷卻介質(zhì)在飛行器外殼或關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的內(nèi)部管道中循環(huán)流動(dòng)。冷卻介質(zhì)在流經(jīng)高溫區(qū)域時(shí)，像人體血液循環(huán)帶走代謝熱量一樣，帶走氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的熱量。另一種方法是部署強(qiáng)大的“熱量海綿”。利用熱沉材料自身巨大的熱容量，在短時(shí)間內(nèi)將大量熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，延緩表面溫度的急劇攀升。給飛行器關(guān)鍵部位裝上這種“熱量海綿”，就能為其他防護(hù)措施贏得寶貴的響應(yīng)時(shí)間。英國(guó)“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)提供了一種主動(dòng)冷卻的創(chuàng)新方案。其通過(guò)高效預(yù)冷卻器，能在0.05秒內(nèi)將吸入的1000℃空氣降至140℃。英國(guó)2016年公布了基于“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的高超聲速飛機(jī)概念。

第二條路是被動(dòng)防御。被動(dòng)防御的核心在于充分利用材料本身的性能。科學(xué)家們對(duì)材料的探索從未止步：陶瓷基復(fù)合材料以其卓越的耐高溫性能一直是主力軍。科研人員不斷優(yōu)化其配方和制備工藝，致力于提升其抵抗高溫氧化和抵御冷熱劇變的能力。碳-碳復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，在超高溫度區(qū)表現(xiàn)出色，科學(xué)家們希望賦予其更強(qiáng)的抗氧化能力。美國(guó)X-51A高超聲速飛行器采用了碳-碳復(fù)合材料+超高溫陶瓷涂層，在高超聲速條件下能保持結(jié)構(gòu)完整。

目前，智能熱防護(hù)材料是材料科學(xué)的前沿研究熱點(diǎn)。它們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)外界熱流或溫度的實(shí)時(shí)變化，自動(dòng)調(diào)整自身的關(guān)鍵熱物理性能——比如在溫度驟升時(shí)減少熱量向內(nèi)部傳遞，或者把更多熱量以紅外輻射形式散發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、自適應(yīng)的熱防護(hù)效果。

單純做到完美的熱防護(hù)，并非科研人員的最終目的，他們希望熱防護(hù)結(jié)構(gòu)不僅能擋住烈焰，還要身兼數(shù)職，如承受載荷、透射電磁波甚至隱身等。這便需要科研人員精心設(shè)計(jì)材料的微觀結(jié)構(gòu)和巧妙布局功能層，從而提升飛行器的整體性能。今年11月，國(guó)防科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》刊文稱，他們成功研發(fā)出一種基于超表面的多功能復(fù)合材料。該材料可以在1000℃的高溫下，吸收從2GHz到12GHz的超寬帶雷達(dá)波。

隨著對(duì)“新熱障”本質(zhì)認(rèn)識(shí)的不斷深化，飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念也正在經(jīng)歷一場(chǎng)深刻的范式革命——從“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的單一性能優(yōu)先，轉(zhuǎn)向了全局統(tǒng)籌、多學(xué)科協(xié)同的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這是一個(gè)漫長(zhǎng)而曲折的過(guò)程，未來(lái)仍需“上下求索”的持續(xù)創(chuàng)新。

供圖：高 超