高温热防护对于高超声速飞行器的重要性分析
[2019-03-26]
“高超声速飞行器大的挑战来自于‘热’，以及由热带来的气动、结构和推进等系统的一系列问题。”哈尔滨工业大学教授孟松鹤告诉《中国科学报》记者，要想实现近空间高超声速远程机动飞行，首先必须要克服飞行过程中产生的极端热载荷，同时为了提高结构效率对“减重”提出了更为苛刻的要求。因此，耐高温抗氧化材料、轻质热防护与热结构、高效热管理技术等成为高超声速飞行能否走向现实的决定性要素。
在国家自然科学基金委重大研究计划“近空间飞行器的关键基础科学问题”的九年持续支持下，高温热防护与轻质结构成为四大核心科学问题之一，项目承担单位取得了多项基础性、创新性研究成果，进一步揭示了材料超高温响应机理与失效机制，显著提高了材料耐环境与强韧化能力，发展了系统的测试与表征技术，提出了系列热防护与热管理的新方法，为国家高超声速热防护与轻质结构设计提供了有力的支撑，部分结果直接应用于国家重大需求的项目。
在多个培育项目和集成项目支持下，研究人员系统发展和完善了超高温力学性能测试、热力氧耦合性能测试、多参量热冲击性能表征方法，拓展了高温数字图像相关、光栅应变计以及光纤光栅传感器的测试能力，达到了国际公开报道的高水平，直接服务国家重大需求。尤其是提出了创新的“主动成像”光学测量系统，首次实现氧化表面形貌和应力动态测量，并推广应用于多个工程部门。
研究人员发展了防热复合材料的多尺度分析方法，同时引入不确定性，发展了热防护系统的参数灵敏度分析方法及模型确认和验证方法，利用模糊数学手段建立了综合效能评价方法，并将之应用于实际工程分析与设计中，显著提高了预报精度与置信度。
相关项目深入认识了超高温防热材料的烧蚀/氧化/催化/辐射耦合行为，揭示了材料表面响应温度跃迁或突变的机制。研究人员还创新性地通过仿生设计陶瓷表面结构，使陶瓷表面热阻增加了近万倍，同时为传统研究方法提供了新思想，即通过对材料表面的微结构设计来获得所需的整体性能。研究成果发表在《物理评论快报》上，英国《新科学家》杂志、德国《焦点》周刊等予以报道。
此外，研究人员积极探索了热防护、热管理与轻质化的新概念、新材料和新方法。如利用光子晶体的光学特性调控热辐射，设计并制备了光子晶体热防护涂层；基于“壁虎脚仿生”原理，将碳纳米管均匀地接枝到超薄铝合金内衬表面，复合材料结构界面层强度提高了28%；突破纺丝工艺实现了高定向、宽平面结构的高导热沥青纤维的制备，石墨化连续长丝纤维热导率超过600W/mK，达到美国同类产品水平，以此为基础研制的高导热C/C复合材料为高温热管理提供了有效的技术途径。
