[科普中国]-中国高超飞行器的“保护神”——“轻质难熔金属基复合材料”

出品：科普中国

作者：兰顺正

策划：宋雅娟

监制：光明网科普事业部

媒体公布的中国高超飞行器模拟动画

日前，湖南新闻联播节目报道了中南大学难熔金属与硬质合金研究所所长、女科学家范景莲的先进事迹。报道指出，范景莲领导的团队研制出的“轻质难熔金属基复合材料”，能经受3000℃以上的高温，可以满足我国某型高超声速飞行器在大气层内以5到20倍音速飞行数小时的苛刻要求。无疑，该报道进一步证实了中国在超声速飞行器热防护领域已经取得了重大突破。

1飞天的“硬骨头”

难熔金属，主要包括钒(V)、铌(Nb)、坦(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、铼(Re)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)等十几种金属，属于过渡金属一类。由于难熔金属及其合金、金属间化合物、碳化物、氮化物等具有熔点高(熔点温度一般大于 2000K)，高温强度高，抗液态金属腐蚀性能好，绝大部分可塑性加工等共同特点，所以已经被广泛的用于航天领域。如美国的Ta-10W 合金已用于阿吉娜宇宙飞船的燃烧室和导弹的鼻锥（使用温度 2500℃左右）、火箭发动机喷管的燃气扰流片、阿波罗的燃烧室以及液体火箭喷管的喷嘴。而俄罗斯将Nb-5W-2Mo-1Zr 合金大量应用于双元液体火箭发动机推力室身部的制造。

高超飞行器面临的热环境十分苛刻

（图片来自网络）

2“嫁接”催生新素材

众所周知，高超声速飞行器技术将是未来航天领域的重要研究方向。相比于亚声速、中低超声速飞行器，高超声速飞行器不仅需要往返于天地之间，而且还要在大气层内长时间飞行执行任务，面临十分苛刻的热环境，对热防护系统提出了严重挑战。飞行器在以超过 5 倍声速的速度飞行时，由气动加热显著，前缘、翼、舵、段间连接等结构所面临的热环境往往超过 1000℃，高温不仅引起结构热应力，降低材料力学性能，还可能导致材料出现熔化、升华、氧化烧蚀等破坏，传统的金属材料难以满足使用要求。因此将难熔金属用于高超声速飞行器的研制乃大势所趋。

但是，远程弹道导弹、宇宙飞船等飞行器工作的温度虽然更高，可相比这些“一次性”用品，高超声速飞行器由于需要满足长时间、反复使用的需求，所以对所选用材料的高温强度性能要求更严格，高超声速飞行器的热防护系统必须同时具备耐高温、强度高、韧性好、质量轻和环境稳定性好等特点，结构材料兼有热防护与承载的双重作用。而且难熔材料存在高温强度低、抗氧化能力弱、密度大等弱点，所以其在超高速飞行器中的应用并不是那么容易的。不过在这方面，中国的范景莲团队已经取得了突破。2009年随着国家超高速飞行器研制计划被提上日程，范景莲设想出了“用超高温陶瓷增强难熔金属基体，表面形成多相多组元涂层，以实现高温强韧和长时间抗烧蚀”的设计理念。据资料显示，在2010年范景莲团队研发的“超高温轻质难熔金属基材料”已经在北京相关部门通过了考核。从此次的报道可以看出，该材料在相关应用方面可能已近成熟。

“轻质难熔金属基复合材料”的研发者范景莲

3中国高超的“保护神”

不难看出，“轻质难熔金属基复合材料”对于我国高超声速飞行的研制意义重大。

一方面，该材料可用于飞行器的前缘结构。高超声速飞行器在工作过程中，前缘结构承受严苛的气动加热、压力载荷和较高的温度梯度，在苛刻来流条件和结构尺度的双重作用下，前缘的工作条件十分恶劣，普通材料无法维持前缘结构长时间可靠工作的需求。而“轻质难熔金属基复合材料”可以充当“刀刃”上的“好钢”，在高温的炙烤中为飞行器劈出一条通路来。

新材料可用于飞行器的前缘结构

（图片来自网络）

另一方面，该材料可用于相关发动机的制造。研究表明，巡航式高超飞行器采用的超燃冲压发动机在马赫数6状态下工作时，燃烧室工作温度高达2300℃，局部超高温区工作温度达到2500℃。对此，国际上主要采用两种解决方案。第一是主动冷却技术，在短时间急速降低进入发动机气流的温度（如英国“佩刀”发动机的预冷器可在0.05秒内将1000℃高温气流冷却到零下150℃）。第二就是研制能够耐高温、抗氧化、抗冲刷、抗热振、耐烧蚀的发动机材料“硬扛”。而中国“轻质难熔金属基复合材料”显然是打造超燃冲压发动机的好材料。

超燃冲压发动机燃烧室温度极高

（图片来自网络）

综上，“轻质难熔金属基复合材料”必将助力中国高超飞行器飞得更高、更快、更长久。