據(jù)外媒報道，近日，法國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)彈計劃采用超燃沖壓發(fā)動機，預(yù)計2035年列裝。

不僅僅是法國，美國、俄羅斯、英國、韓國、印度等多個國家，都在持續(xù)推進各自的高超聲速飛行器研制計劃。

在人類科技發(fā)展的歷程中，高超聲速飛行器被很多國家視為未來科技競爭新的制高點。

不過，飛行器突破極限時，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)部狂飆突進時，因高速氣流引起機體表面溫度急劇升高會產(chǎn)生一系列不利現(xiàn)象，科學(xué)家們稱之為“熱障”。在今年的中國科協(xié)年會上，有關(guān)專家圍繞這道在高超聲速時代演變得強度、廣度和復(fù)雜性都呈幾何級飆升的“新熱障”進行了深入探討。

這種“新熱障”，既是橫亙在高超聲速飛行器發(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，回顧與展望這場人類智慧與無形烈焰的巔峰對決。

高超聲速飛行器如何突破“新熱障”

■陳 健　李金龍　解放軍報特約記者　張照星

與烈焰共舞——

更快速度帶來更大挑戰(zhàn)

超聲速飛行，會讓空氣發(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，帶來了“熱障”的困擾。

當(dāng)飛行器破空疾馳時，劇烈的摩擦和擠壓，將巨大的動能轉(zhuǎn)化成了灼人的熱能，這就是“氣動加熱”。普通金屬在爐火中會變軟、熔化甚至燒毀。在飛行器上，這種升溫帶來的后果更加致命：材料強度崩潰、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)彈某次試射過程中，因局部熱應(yīng)力超出材料疲勞極限，導(dǎo)致熱防護層出現(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，飛行器表面溫度會飆升到1000～2000℃。更嚴峻的是，任務(wù)往往需要高超聲速飛行器在這種極端高溫環(huán)境下堅持數(shù)分鐘甚至數(shù)小時，熱量的累積效應(yīng)考驗著材料和結(jié)構(gòu)的耐久極限。

超聲速飛行產(chǎn)生的熱量，主要來自空氣與機身的摩擦。高超聲速飛行則不同。當(dāng)高超聲速飛行器破開空氣時，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度。

當(dāng)高超聲速飛行器尖銳的前緣迎面撞上氣流時，仿佛撞上了一堵無形的“高壓氣墻”，這就是激波。穿過這道激波，空氣的溫度、壓強和密度直線飆升，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從表面“剝離”開來，這就是邊界層分離。這種剝離會完全打亂原本相對規(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)局部過熱燒蝕。

湍流更是讓熱流變得難以預(yù)測。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，幾乎覆蓋了整個飛行器表面。長時間炙烤會導(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)備也會受高溫影響而失靈。此時，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，一場從飛行器的整體構(gòu)型、熱防護系統(tǒng)到內(nèi)部熱管理的全面“防火革命”已經(jīng)刻不容緩。

韓國新型高超聲速空對地導(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，形成了一個危險的“死亡三角”閉環(huán)：氣動加熱將飛行器表面烤得通紅，材料在烈焰中強度下降、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。結(jié)構(gòu)的變形又反過來改變了其周圍的氣流形態(tài)，從而再次影響氣動加熱的分布和強度，形成新的熱流沖擊。美國HTV-2“獵鷹”高超聲速飛行器第二次試飛失敗，就是因為高熱流致使飛行器翼前緣多層碳布被燒毀，影響了氣動性能，最終導(dǎo)致飛行器失控。

這種危險的相互作用，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)會悄然變化，性能逐漸衰退。同時，氣動加熱帶來的巨大熱應(yīng)力會在材料內(nèi)部不斷累積。當(dāng)這股應(yīng)力超過材料的承受極限時，微小的裂紋便會產(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度，還成為高溫氣體向內(nèi)侵襲的通道，進一步破壞熱防護效果，危及整體結(jié)構(gòu)安全。

再如金屬基復(fù)合材料，高溫下，金屬基體會像黃油般軟化，增強纖維或顆粒的性能也可能變化，再加上氣動加熱本身的不均勻性，會導(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)計師和熱防護工程師帶來噩夢般的難題。

因此，要解開“新熱障”的死結(jié)，絕非單一學(xué)科的獨角戲。它需要氣動熱力學(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，要通過先進的計算機模擬，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，還要在真實的地面試驗設(shè)備中，將材料和結(jié)構(gòu)投入模擬高超環(huán)境的烈焰熔爐進行嚴酷考驗，才能為未來飛行器的設(shè)計提供理論基石和試驗鐵證。

印度BM-04高超聲速彈道導(dǎo)彈。資料圖片

與熱障博弈——

多措并舉解決熱流之困

面對“新熱障”，傳統(tǒng)的被動防御，如航天飛機上使用的隔熱瓦片，或者發(fā)動機葉片表面的熱障涂層，漸漸顯得力不從心。在應(yīng)對高超聲速新熱障問題上，中國、美國、俄羅斯等國均通過材料創(chuàng)新、主動與被動防護技術(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。

第一條路是主動出擊。主動熱防護的精髓在于“主動”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。冷卻介質(zhì)在流經(jīng)高溫區(qū)域時，像人體血液循環(huán)帶走代謝熱量一樣，帶走氣動加熱產(chǎn)生的熱量。另一種方法是部署強大的“熱量海綿”。利用熱沉材料自身巨大的熱容量，在短時間內(nèi)將大量熱量儲存起來，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”，就能為其他防護措施贏得寶貴的響應(yīng)時間。英國“佩刀”發(fā)動機提供了一種主動冷卻的創(chuàng)新方案。其通過高效預(yù)冷卻器，能在0.05秒內(nèi)將吸入的1000℃空氣降至140℃。英國2016年公布了基于“佩刀”發(fā)動機技術(shù)的高超聲速飛機概念。

第二條路是被動防御。被動防御的核心在于充分利用材料本身的性能?？茖W(xué)家們對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?？蒲腥藛T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的抗氧化能力。美國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，智能熱防護材料是材料科學(xué)的前沿研究熱點。它們的設(shè)計目標(biāo)是根據(jù)外界熱流或溫度的實時變化，自動調(diào)整自身的關(guān)鍵熱物理性能——比如在溫度驟升時減少熱量向內(nèi)部傳遞，或者把更多熱量以紅外輻射形式散發(fā)出去，實現(xiàn)動態(tài)的、自適應(yīng)的熱防護效果。

單純做到完美的熱防護，并非科研人員的最終目的，他們希望熱防護結(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，國防科技大學(xué)研究團隊在《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的超寬帶雷達波。

隨著對“新熱障”本質(zhì)認識的不斷深化，飛行器熱防護系統(tǒng)的設(shè)計理念也正在經(jīng)歷一場深刻的范式革命——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。這是一個漫長而曲折的過程，未來仍需“上下求索”的持續(xù)創(chuàng)新。

供圖：高 超