高超音速飞行器的高温材料要求

高超音速技术领域目前是航空航天及国防工业的一个热门话题。高超音速武器主要有两种：高超音速巡航导弹和高超音速飞行器。高超音速巡航导弹，由scramjet驱动，被限制在100,000英尺（30,000米）以下；高超音速滑翔飞行器可以飞得更高。与弹道（抛物线）轨迹相比，高超音速飞行器将能够大角度地偏离抛物线轨迹。

俄罗斯和中国在高超音速武器开发方面遥遥领先。随着最近中国成功地展示了一个高超音速飞行器，并在下降前绕地球飞行而获得美国关注。俄罗斯在高超音速系统方面也很活跃。结合中国和俄罗斯对超音速系统的快速发展，导致美国和欧洲的也更积极地开展相关研究。作为武器大国的美国，也准备集合陆、海、空三军一起开发高超音速滑翔体，据报道印度也在开发这种武器。法国和澳大利亚也紧随其后。而日本正在开发喷气式导弹（高超音速巡航导弹）。

而高超音速系统需要耐高温材料。尤其是前缘和鼻锥体，在高速飞行的状态下，与空气摩擦会导致温度飙升，有时这些部件的温度会超过2000℃。几十年来，碳-碳等材料一直被用于再入飞行器和火箭喷嘴，这些材料在应用中效果良好。这些耐高温材料在高热再入阶段通常会被烧蚀或侵蚀，但却能在再入过程中保护飞行器不被烧毁。高超音速武器系统所面临的挑战是，它们的目的是可操控和可转向，这意味着控制面板的任何烧蚀都会影响系统的可操控性。

对于高超音速系统的高温材料有两个主要需求：

几十年来，碳-碳材料一直被用于高温领域，并取得了良好的效果。目前Hexcel正在研究不烧蚀或以非常可控的方式烧蚀的碳-碳材料，以便将其用作飞行器的控制面板。其耐高温涂层也随之在开发，以确保控制面板在飞行过程中的完整无损。目前针对陶瓷基质复合材料（CMC）的研究有很多，其适用温度范围甚至比碳-碳更高。CMC通常使用陶瓷纤维，这种纤维很脆，而且非常昂贵，但目前正在研究在CMC中使用碳纤维，因为已经有一个成熟的碳纤维供应链，可以以比陶瓷纤维低得多的成本生产纤维。

在成本方面，大部分的重点是降低生产碳-碳部件的成本。生产碳-碳的过程从碳纤维复合材料开始，然后把它带到高温下，烧掉基体材料中除碳以外的一切。然后，该部件被重新渗入基体材料或经过化学气相沉积（CVD）过程，该过程重复几个周期，以生产最终的碳-碳材料。浸润和化学气相沉积的碳化周期可能长达数周，因此生产碳-碳材料可能需要数月。很多人都在关注如何降低生产碳-碳材料的成本和时间。据报道，Hexcel HexPly®预浸料在减少碳基体完全致密化所需的时间方面显示出了优势。在CMC材料中使用碳纤维也可以大大降低生产陶瓷基体复合材料的成本。

材料是高超音速武器系统的一项关键技术。20世纪90年代，美国国家航空航天飞机（NASP）做出了重大努力，建造了一架可以以高达5马赫的速度飞行的商业飞机。大量研究经费投入到对金属基体和陶瓷基体材料系统的研发项目上。最后，这些材料系统都太不成熟，无法自信地用于载人超音速商业运输领域。高超音速飞行系统需要的就是耐更高温度的材料体系。

目前中美俄在高超声速武器的研究项目上争相激烈，而要决出胜败的关键在于两个方面：研发出耐高温的材料和超燃冲压发动机，而耐高温材料是关键中的关键。谁能先研出符合高超音速飞行的耐高温材料，谁就掌握了话语权。公开资料显示的俄军“先锋”号高超音速导弹采用了新型耐高温、高压材料，诸如高温陶瓷材料、C/SiC、金属基复合材料可耐高温2000℃。而中国在耐高温材料上目前有突破性进展，比如近几年的中南大学研发的一种新型耐3000℃烧蚀的陶瓷涂层及其复合材料，为我国高超音速飞行器的研制铺平道路具有重大意义。