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第 39 卷第 6 期力学进展 Vol. 39 No. 6
2009 年 11 月 25 日 ADVANCES IN MECHANICS Nov. 25, 2009
高超声速飞行器两类典型防热材料的
性能表征与评价*
韩杰才梁军†王超栾旭
1 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所, 哈尔滨 150080
摘要针对高超声速飞行器翼前缘用超高温陶瓷材料及机身大面积金属热防护结构材料在高温环境下的力
学响应分析与评价方法进行了全面的回顾和总结. 综述了大面积金属热防护系统在传热、静力学、热力耦合
性能、疲劳性能及抗冲击性能等方面国内外的研究进展; 以及超高温陶瓷材料在热冲击、增韧机制、抗氧化性
能等方面评价与表征技术, 并结合国内研究状况展望了今后的发展方向.
关键词高超声速飞行器, 金属热防护系统, 超高温陶瓷材料, 综合性能
1 引言等. 在这些计划的支持下, 许多高超声速飞行器的
研制获得成功或达到了演示验证阶段, 如马赫数
高超声速飞行器一般指的是飞行速度在 5 倍接近 5 的不死鸟 AIM54C; 马赫数 5 的“隼”高速
声速以上, 即马赫数大于 5 的空天飞行器, 它包括巡航导弹等等, 并且各国正在抓紧研制飞行速度
可重复使用跨大气层飞行器(reusable launch vehi- 在马赫数 10 以上的高超声速飞行器. 随着飞行器
cle, RLV)、空间作战飞行器(space operations vehi- 飞行速度不断提高, 服役环境越来越恶劣, 飞行器
cle, SOV)、轨道转移飞行器(orbital transfer vehi- 的热防护问题对飞行器的安全起着越来越重要的
cle, OTV)、通用航空飞行器(common aero vehicle, 作用.
CAV)、高超声速巡航飞行器(hypersonic cruise ve- 热防护系统是每个航天器或需要服役在高温
hicle, HCV) 等. 以高超声速、跨大气层或亚轨道、热环境下部件所必需的关键子系统, 如飞行器的
高机动、远距离精确打击、快速响应/高可靠性以头锥、翼前缘、迎风面、背风面或火箭发动机喷管
及多任务/低成本为主要技术特征的高超声速飞等部位. 热防护系统是由一些特殊材料如陶瓷、
行器已成为航空航天领域武器装备发展的主要方高温合金及高温聚合物等, 以一定结构形式构成,
向, 将在未来国家安全中起着重要作用. 这些材料或结构具有很好的热、力学等综合性能,
与传统飞行器相比, 高超声速飞行器具有极保证飞行器有效载荷可以安全地工作于服役环境
大的优势, 可以有效地减少防御响应时间, 增强突中. 随着高超声速飞行器功能的不断提升, 对防热
防和反防御能力, 提高飞行器自身的生存能力[1]. 材料和结构性能的要求也更加苛刻, 需要在新材
目前, 美、俄、法、德、日以及印度等国家都在进料研制和结构设计中不断创新. 如美国现役的航
行这方面的研究, 制定了许多发展高超声速飞行天飞机所使用的传统陶瓷隔热瓦虽然可以满足防
器的计划. 如美国国防高级研究计划局的“可担热要求, 但其自身损伤容限低、制造和维护成本高
负得起的快速反应导弹演示”计划, 美国空军的的特点难以满足高超声速飞行器表面机身轻质、
HyTech 计划, 前苏联名为“冷”的高超声速计划, 高温强韧化的要求, 因此金属热防护系统以其可
法国的“普罗米修斯”计划及英国的 ShyFE 计划设计性强、轻质高强、成本较低、稳定性强等特点
收稿日期: 2009-03-10, 修回日期: 2009-09-03
∗国家自然科学基金(90505015, 10772060), 黑龙江省杰出青年基金(JC2006-13) 项目资助
† E-mail: ******@hit.
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成为现代飞行器大面积防热的首选结构之一. 当可重复使用的特性, 其材料和结构的抗冲击特性
飞行马赫数进一步提升, 飞行器头锥和翼前缘的及热疲劳特性也是需要重点研究的内容.
温度都会达到 2 000◦C 以上, 传统的烧蚀型碳/碳
传热性能研究
复合材料由于长时间的氧化烧蚀破坏了飞行器结
可重复使用热防护系统的设计必须考虑气动
构的气动外形, 降低了升阻比, 难以达到高机动和
力、气动热环境下材料的传热特性、热力耦合特
精确打击的目的. 取而代之的是超高温陶瓷材料,
性、组件之间热变形匹配性以及振动、冲击等因素
优异的物理和力学性能(高熔点、高热导率、高温
影响, 传/隔热分析是整体结构分析过程中重要的
强度保持率和抗氧化、强韧化性能) 使其能够适应
中心