中国粉体网讯 近年来，随着战争模式的变革和高超声速相关技术的发展，高超声速飞行器在军事和商业领域的应用潜力越来越明显，已成为抢占空中和空间战略优势的利器。其兼具了传统飞行器的各项性能优势，具备优异的作战能力，并于2022年首次在俄乌冲突实战中亮相。
高超声速飞行器具有优异性能的主要原因在于采用了革命性的动力系统。冲压发动机是高超声速飞行器研究和应用最多的动力系统，其优势在于构造简单、重量轻、体积小、推重比大、成本低。但相对于高超声速飞行器结构所承受的气动加热，冲压发动机的工作温度更高。其作为飞行器的主要热源，必须进行有效热防护，阻断热量向外传递，使发动机外壁面始终处于安全的工作温度。
不同冲压发动机的工作环境存在一定的差异，但对隔热材料的要求差别不大，主要包括几点：
1）耐热性强；
2）隔热空间狭小；
3）大温度梯度；
4）能承受强烈的机械震动以及热应力；
5）重量轻，选择低密度材料。
通常情况下，具有低导热系数的隔热材料其耐温性能都比较低，而能够承受高温及超高温的材料导热系数都比较高，因此将耐超高温和超低导热由一种材料来实现具有很大的难度。因此，热防护材料与结构技术一直是研究热点。
在该领域，国外工作起步较早：
上世纪60年代，第一代热防护结构：以树脂基复合材料为基础，将树脂基复合材料贴于金属内蒙皮上，用于热防护。特点：极限使用温度较低，约为300℃。
上世纪90年代，第二代热防护结构：几乎全部使用钛合金作为外蒙皮，内部使用柔性热防护材料。特点：结构设计简单，成本较低，其隔热效果主要取决于柔性热防护材料，综合隔热性能不佳。
本世纪初，形成了第三代热防护结构：主干材料选用陶瓷基复合材料和金属蜂窝。特点：隔热效果相对较好，热防护结构轻，但是该类材料柔性较差，容易破损，抗热震性能及复杂形状加工性能差。
最近几年，研究者们又研究出一类新型热防护结构，被称为第四代热防护结构，所用材料包括高性能泡沫陶瓷、陶瓷纤维热防护材料、增韧陶瓷材料等，这类材料质更轻、耐久性时间更长、隔热性能更好。
陶瓷隔热材料由于具有孔隙率高、容重低、隔热性好、高维形、可重复使用等优点，是目前航天飞机表面最主要的热防护材料之一，应用面积占航天飞机总热防护表面的68%。如陶瓷纤维隔热材料在低温环境下隔热性能良好，但是随着温度的上升，隔热材料的导热系数增大，隔热性能严重下降。目前，隔热材料面临的主要困难之一是缺乏高温服役环境下的热性能数据，热防护系统的安全性无法得到相应保证。
中国建筑材料科学研究总院有限公司所属陶瓷科学研究院（简称：研究院）在热防护材料方面的研制工作早已启动，并且在空天飞行器隔热材料选用和结构设计上开展了大量研究工作，积累了丰富的经验和坚实的技术基础，面对研究院的发动机用热防护材料的研究工作，积极开展了耐高温隔热材料的研究攻关。
柔性陶瓷隔热材料，来源：中国建设报
发动机的热防护结构面临工作时间长、工作空间狭小和大温度梯度的周围环境，研究院提出使用具有高效隔热的低密度、柔性功能梯度复合隔热材料。该结构复合隔热材料为若干层不同成分的材料，即高温层隔热材料、中温层隔热材料和低温层隔热材料。高温层接触高温的耐烧蚀层，主要考虑耐高温性能，对导热率的要求不高，只需要将温度降到能够使相邻中温层可以正常工作的温度条件；中温层具有较低的导热系数，使温度进一步降低；低温层具有更低的导热系数，能够将温度降至设计要求温度。不同的材料具有不同的耐热性能和导热系数，整体上满足既耐高温又具有低导热系数的要求。
热防护系统和热防护材料是发展和保障高超声速飞行器和空天飞机在极端环境下安全工作的关键技术之一。通过研究，目前研究院已经形成了热防护设计技术、低导热系数柔性隔热材料制备技术、纳米孔隔热材料制备技术、梯度隔热材料复合制备技术、超高温隔热材料制备技术、红外辐射屏蔽技术及吸热隔热材料制备技术等技术基础，为我国航天事业的热防护设计提供了广泛的材料选择余地。
中国粉体网将于2023年12月20-21日在湖北宜昌举办“第六届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”，届时，中国建筑材料科学研究总院总工陈玉峰将带来题为《高速飞行器冲压发动机热防护技术及材料》的报告。报告将简述冲压发动机热防护技术及相关材料，介绍中国建筑材料科学研究总院采用超高温柔性梯度隔热材料的解决方案。
来源：
刘双喜等：国外高超声速飞行器及防御体系发展现状
陈玉峰：空天飞行器用热防护陶瓷材料.现代技术陶瓷
中国建设报
（中国粉体网编辑整理/空青）
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