高超声速飞行器

原标题：高超声速飞行器

高超声速飞行器是指飞行速度超过5倍音速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器，具有突防成功率高的特点，有着巨大的军事价值和潜在的经济价值。 美国国防高级研究计划局（ DARPA ）正在领导进行名为“ 猎鹰 ”（ FALCON ，“从美国大陆投送和部署兵力”的英语缩写）的 高超声速飞行器 研究项目，主承包商是 洛克希德·马丁公司 。该项目原定在2007年9月，用一号高超声速试验机（HTV-1）进行一次超过15倍声速的试飞，但据《飞行国际》报道， DARPA 和洛·马公司已决定不按原计划制造和试飞HTV-1，这是因为分承包商C-CAT公司研制的碳基壳体的曲线前缘出现了剥离问题。研制人员开始转向另外一种不同的 HTV-2 设计，它采用前缘更薄的多片式壳体，将更易于制造。与此同时， 热防护 研究也在继续进行当中。

高超声速飞行器研发过程中遇到的另一个难题就是气动加热问题，即所谓热障。它主要是飞行器飞行时由于激波和粘性的作用，其周围空气温度急剧升高，形成剧烈的气动加热环境，使一般飞行器结构无法承受。为克服热障，科研人员首先精心设计飞行器的飞行轨道和气动外形，使其在不影响或较少影响飞行器性能的情况下，尽可能降低进入飞行器的气动加热率，即热流。

克服热障更主要的手段是对飞行器进行热防护，热防护的方法按防热机理划分有：热沉防热；辐射防热；发汗冷却防热和烧蚀防热。

热沉防热主要利用材料的热容量来吸收热量。任何材料都有热容量，但作为防热材料使用时有其特殊要求。首先要有大的比热，这样单位质量的材料才能吸收更多的热量；其次要有高的导热率，只有这样才能使热沉材料的温差不致过大，不然的话，受热面已接近或达到材料的破坏温度，而其余部分的温度还较低，就不能充分发挥材料大热容量的潜力。由于热沉材料的破坏温度一般不是很高，比如说铜的熔点是1357 K，要想吸收大量的热，就必须大量增加热沉材料的质量，形成比较笨重的防热系统。

辐射防热主要利用材料的辐射特性。就是将其表面的气动热再以辐射的形式散发出去。由于辐射热流与表面温度的四次方成正比，因此，选用的辐射防热材料不仅要有高辐射特性外，而且还必需有低导热率和耐高温特性。

发汗冷却防热通过从多孔表面渗出流体达到防热的目的。主要靠热阻塞效应或质量引射效应的机理来防热。基本原理是，当流体注入飞行器表面气体边界层时，使边界层结构发生改变，厚度增大而使得温度梯度降低，从而减小进入飞行器的对流传热。飞行器使用发汗冷却防热优点是在飞行中没有气动外形的变化，还可以通过控制流体的渗出量来适应不同大小热流的热防护需求。薄膜冷却防热依靠在飞行器表面的小孔喷出液体或气体，在表面形成一层很薄的液膜或气膜，将飞行器表面与高温气体分隔开，而后液体蒸发吸热，气体注入边界层，产生热阻塞效应，降低进入飞行器的对流传热。薄膜冷却防热与上述发汗冷却防热相类似。很多人把它归结到发汗冷却防热。

烧蚀防热通过烧去外层，来达到保护内层的目的。烧蚀热防护由于有效、可靠、自适应、重量轻、工艺简单、便于搬运和储存等优点而得到广泛应用。中远程弹道导弹弹头、返回式卫星、宇宙飞船、登月飞行返回舱以及航天飞机机头和机翼尾翼前缘，都使用烧蚀防热。经过几十年的研究试验和实际应用，现已研发多种烧蚀材料，供不同用途的飞行器或飞行器的不同部位选用。烧蚀防热是高超声速飞行器热防护中应用最成功的一种方法。烧蚀防热的主要缺点是一次性使用和由于烧蚀产生的气动外形变化。后者，将影响再入航天器的稳定性、落点精度和再入机动飞行，以及巡航飞行器的升阻力、稳定性和操纵性。