2011年3月5日，美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射第二架X-37B軌道試驗(yàn)飛行器，該飛行器計(jì)劃飛行９個(gè)月。
　　作為美國(guó)空軍花費(fèi)10年研制的全新空天戰(zhàn)機(jī)，X-37B的外形和功能都酷似小型航天飛機(jī)，它通過火箭被送入軌道，環(huán)繞地球飛行，然后以滑翔方式返回地面。美國(guó)2010年發(fā)射第一架X-37B，按照該國(guó)空軍的說法，這種飛行器一旦投入使用，可以執(zhí)行太空偵察、衛(wèi)星修復(fù)等任務(wù)。外界質(zhì)疑，X-37B不是單純可重復(fù)使用的太空戰(zhàn)機(jī)，而是美國(guó)自愿裁減核武后的秘密武器，其最引人關(guān)注的是高超音速飛行速度，有軍事專家評(píng)估在6～8馬赫（1馬赫即1倍音速，相當(dāng)于340.3米/秒的速度）以上，它能在2小時(shí)以內(nèi)飛行1.6萬千米、攜帶約5.4噸炸彈或巡航導(dǎo)彈，從美國(guó)本土出發(fā)轟炸全球任何一個(gè)地方的敵對(duì)目標(biāo)。
　　和所有高超音速飛行器一樣，X-37B要取得成功，它的氣動(dòng)加熱和熱防護(hù)成為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
　　
　　氣動(dòng)加熱和“熱障”問題
　　
　　飛機(jī)在空中飛行，會(huì)與空氣發(fā)生摩擦，空氣受到阻滯和壓縮，流速降低，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使飛機(jī)表面變熱，這就是氣動(dòng)變熱。飛機(jī)的飛行速度越高，氣流對(duì)飛機(jī)表面的加熱作用也就越大，飛機(jī)表面的溫度就越高。當(dāng)飛行速度在2馬赫時(shí)，飛機(jī)的迎流面溫升可達(dá)100°C。當(dāng)速度提高到2.5馬赫時(shí)，迎流面氣溫能升到200°C。制造飛機(jī)最常用的結(jié)構(gòu)材料鋁合金，在200°C的環(huán)境中構(gòu)件強(qiáng)度就會(huì)降低，若飛機(jī)表面溫度升得過高，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)降低，蒙皮和結(jié)構(gòu)容易變形，使得儀表設(shè)備失靈，燃料蒸發(fā)或易燃，從而成為影響飛機(jī)速度提高的一個(gè)障礙，這種現(xiàn)象就是“熱障”。因此，使用鋁合金材料制造的飛機(jī)可承受的氣動(dòng)加熱對(duì)應(yīng)的飛行速度一般不超過2.2馬赫，世界上實(shí)用型的超音速飛機(jī)大多數(shù)都控制在2.2馬赫速度以內(nèi)，這樣可以充分發(fā)揮飛機(jī)的結(jié)構(gòu)效率。
　　若飛行速度再提高，溫度梯度將上升得更高。當(dāng)飛行速度的馬赫數(shù)為3時(shí)，機(jī)頭溫度可上升到360°C。
　　
　　跨越熱障
　　
　　最早跨越熱障的飛機(jī)有美國(guó)的SR-71（中譯名稱為黑鳥）和前蘇聯(lián)的米格-25，它們都達(dá)到了3馬赫的飛行速度，其中SR-71高空高速偵察機(jī)93％的機(jī)體使用了能耐高溫的鈦合金材料。而前蘇聯(lián)在新材料的研究和應(yīng)用方面落后于美國(guó)，因此米高揚(yáng)設(shè)計(jì)局選用了不銹鋼和焊接工藝來制造機(jī)體的主要結(jié)構(gòu)，不銹鋼材料占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的80％，機(jī)體上的焊縫長(zhǎng)達(dá)4000米，焊點(diǎn)多達(dá)140萬個(gè)。鈦合金和不銹鋼材料幫助SR-71和米格-25成功闖過了“熱障”關(guān)。
　　氣動(dòng)加熱問題對(duì)于再入式飛行器（即指需要再入大氣層的飛行器，例如返回式衛(wèi)星、飛船、戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈、以及許多高超聲速飛行器等）的安全尤為重要。因?yàn)轱w行器在重返大氣層時(shí)，速度可達(dá)25馬赫，隨著再入大氣層過程中空氣密度的逐漸增加，氣動(dòng)加熱可使航天飛機(jī)或飛船的迎流面溫度達(dá)到1400°C，在此溫度下，一般金屬構(gòu)件都將熔化，飛行器必須使用特殊材料并進(jìn)行特殊處理，才能避免氣動(dòng)加熱問題所造成的嚴(yán)重后果。
　　解決上述“熱障”問題，可以采用使用耐熱材料、加裝隔熱設(shè)備、安裝冷卻系統(tǒng)等，以保證飛行器不會(huì)因高溫而損毀。
　　最開始，人們使用燒蝕材料作高溫防護(hù)罩?，F(xiàn)在，人們通常使用泡沫陶瓷瓦片作為飛行器的高溫防護(hù)層。因?yàn)樘沾膳菽咂饶透邷赜帜芷鸬綗峤^緣的作用，可以避免溫度向機(jī)艙內(nèi)傳導(dǎo)，使飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到影響。美國(guó)的航天飛機(jī)就是用2.6萬塊蜂窩結(jié)構(gòu)硅瓷片組成防護(hù)層，一般飛船的返回艙迎流面也使用蜂窩硅瓷材料做成防熱大底（通俗來講，就是返回艙底部用于防熱的一個(gè)復(fù)合材料大蓋子），以保護(hù)飛船的返回艙在通過大氣層時(shí)能夠承受極高的溫度。
　　耐高溫材料對(duì)飛行器的安全飛行至關(guān)重要。2003年，美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)失事，造成這一事故的原因正是外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機(jī)左翼前緣的“增強(qiáng)碳-碳”（即增強(qiáng)碳-碳隔熱板）耐熱復(fù)合材料，并形成裂隙。當(dāng)航天飛機(jī)返回經(jīng)過大氣層時(shí)，氣動(dòng)加熱使得航天飛機(jī)機(jī)身前緣溫度高達(dá)1400°C的空氣得以從裂隙沖入左機(jī)翼，并融化了機(jī)翼和機(jī)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生。
　　
　　高超音速飛行器的熱防護(hù)材料
　　
　　對(duì)于物理速度的追求是人類的天性之一，人類對(duì)飛行速度的追求是無限的。極速的誘惑，總吸引人們進(jìn)行無盡的探索……美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)、俄羅斯等都在開展6馬赫以上飛行速度的高超聲速飛行器的研制工作，例如美國(guó)國(guó)防部的國(guó)家航空航天倡議（NAI，參見圖２），提出了三個(gè)階段高超聲速巡航導(dǎo)彈等一次性系統(tǒng)和可重復(fù)使用高超聲速飛行器的技術(shù)目標(biāo)，包括巡航速度、航程、有效載荷等。
　　但“更快”的一個(gè)可能后果就是“更熱”，如果飛行速度達(dá)到6馬赫，飛行器表面溫度將超過1000℃，這時(shí)候就必須選用新的耐高溫和熱防護(hù)材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝技術(shù)。
　　高超音速飛行器各部位的氣動(dòng)加熱溫度不同，結(jié)構(gòu)功能不同，使用的材料、結(jié)構(gòu)和工藝自然也各不相同，所采用的材料主要依據(jù)耐高溫材料與熱結(jié)構(gòu)概念（高溫下抗氧化防護(hù)和防氫脆的能力），其中鈦合金能承受的速度為：M3～5（指馬赫數(shù)在3到5）、高溫合金為：M4～8、金屬基復(fù)合材料為：M6～8、陶瓷基復(fù)合材料為：M6～10、碳/碳、C/SiC 復(fù)合材料為：M6～12。
　　前文提到，飛行速度在6馬赫以上、氣動(dòng)加熱溫度達(dá)到1000℃時(shí)，采用的耐高溫材料主要有無機(jī)化合物和復(fù)合材料。
　　無機(jī)耐熱材料是指硬度高、脆性好、耐化學(xué)腐蝕性能好，而且熔點(diǎn)在1000℃以上的化合物，主要分為金屬與非金屬化合物和非金屬間化合物兩類。前者指的是，如鎢、鉬、鉭、鈮、釩、鉻、鈦、鋯等難熔金屬以及稀土金屬的硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、磷化物和硫化物等；后者包括碳化硼、碳化硅、氮化硼、氮化硅、磷化硼、磷化硅等。
　　耐熱復(fù)合材料主要有碳纖維增強(qiáng)和碳化硅纖維增強(qiáng)、碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，它們具有耐高溫和輕質(zhì)化的優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和高超音速飛行器蒙皮。
　　
　　高超音速驗(yàn)證機(jī)X-43
　　
　　作為新一代最具代表性的高超音速驗(yàn)證機(jī)，美國(guó)的X-43在2004年的試飛中，達(dá)到了10馬赫的飛行速度。該機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)是一個(gè)冷的整體結(jié)構(gòu)，低溫液氫油箱與機(jī)身做成一體。機(jī)身的外模線直接加工成所需輪廓，無需使用單個(gè)加工的防熱瓦來適應(yīng)機(jī)身的形狀，這使得飛行器的氣動(dòng)外形更完整，結(jié)構(gòu)更可靠，制造也更簡(jiǎn)單。油箱機(jī)身由石墨/環(huán)氧框架及蒙皮組成。機(jī)身蒙皮由韌化的單塊纖維隔熱層/外覆氧化鋁增強(qiáng)的防熱瓦組成，蒙皮外再覆以熱防護(hù)系統(tǒng)。飛機(jī)上翼面熱防護(hù)層為可剪裁的先進(jìn)絕緣氈（與航天飛機(jī)類似），下翼面為內(nèi)多層屏蔽絕緣物。后者是防熱材料，由碳/碳化硅外面板，中介陶瓷屏、以及先進(jìn)聚酰亞胺泡沫內(nèi)襯組成。中介陶瓷屏覆以貴金屬，用來降低熱輻射。機(jī)翼及垂尾由鎳基合金制成，并有一個(gè)由二硼化鋯制成的前緣。頭錐為氫冷卻的NARloy-Z（特指含3％的銀、0.5％鋯的銅的合金結(jié)構(gòu)Cu-3Ag-0.5Zr）結(jié)構(gòu)，頭錐前部采用碳/碳復(fù)合材料，為確保動(dòng)安定性（指遇氣流時(shí)逐漸恢復(fù)平穩(wěn)飛行的過程），同時(shí)也為防熱，頭錐的其余部分表面覆蓋以約400千克的鎢。
　　正是因?yàn)橛辛诉@些材料和制作方法，才使得X-43可以達(dá)到10馬赫的速度，而且能夠抵抗由此造成的氣動(dòng)高溫傷害。
　　在高超音速飛行器的結(jié)構(gòu)與材料的技術(shù)挑戰(zhàn)中，頭錐前部、機(jī)翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室及噴管的結(jié)構(gòu)和材料問題是需要面對(duì)的最主要的挑戰(zhàn)之一。對(duì)于頭錐前部和機(jī)翼前緣來說，它們必須能承受1100～1400℃以上的高溫，目前正在開發(fā)包括陶瓷基復(fù)合材料及帶涂層的碳/碳復(fù)合材料。就燃燒室及噴管而言，其承受的溫度高達(dá)1500℃，使用的材料有鎳基及鈷基合金、以及更輕質(zhì)的陶瓷基復(fù)合材料。
　　
　　未來的發(fā)展方向
　　
　　西方將高超音速技術(shù)作為飛行器技術(shù)的重要發(fā)展方向，并開展了多種方案的技術(shù)驗(yàn)證研究，持續(xù)進(jìn)行長(zhǎng)期性基礎(chǔ)材料、制造工藝技術(shù)研究開發(fā)工作。高超音速條件下飛行器的外表結(jié)構(gòu)和推進(jìn)系統(tǒng)的高溫?zé)岱雷o(hù)，不僅僅是耐熱材料的問題，還涉及更先進(jìn)的熱防護(hù)和主動(dòng)冷卻、結(jié)構(gòu)連接、密封等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)際上，高溫?zé)岱雷o(hù)技術(shù)已變成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、工藝等的組合技術(shù)。
　　科學(xué)家預(yù)測(cè)，下一代高超音速飛行器將采用一種智能結(jié)構(gòu)，具有自適應(yīng)熱防護(hù)系統(tǒng)及智能化無損檢測(cè)裝置，模塊化分布式電子設(shè)備，自愈合的飛機(jī)結(jié)構(gòu)及表面。發(fā)動(dòng)機(jī)材料將可能使用經(jīng)冷卻的復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料加力燃燒室殼體、納米相鋁合金及超高溫復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)材料將包括超高溫樹脂基復(fù)合材料、先進(jìn)的黏接劑及密封劑、低成本耐腐蝕熱防護(hù)系統(tǒng)，及復(fù)合材料液氧油箱。人們的目標(biāo)自然是希望能夠耐更高的溫度、更輕質(zhì)、更耐腐蝕的材料，更重要的是降低材料制備成本和制造技術(shù)成本，以期普遍性的應(yīng)用，使高超音速飛行器可以大規(guī)模裝備并有可能投入商業(yè)性運(yùn)營(yíng)。
　　 【責(zé)任編輯】 趙 菲