高超声速的关键技术
2010-06-14 18:27:32 来源: 作者:文/傅前哨 【大 中 小】 浏览:20
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高超声速飞行器的设计和制造是相当复杂的系统工程，需要解决许多技术上的问题，工程投资也是相当高的。只有那些既拥有先进的航空技术，又掌握了尖端的航天技术的工业大国，才有可能发展这类飞行器。但即使是资金雄厚、科技发达的国家，在研制高超声速飞机时，也面临着巨大的挑战。不言而喻，只有新技术的支撑，才有可能突破研制中的各种“瓶颈”，使高超声速成为现实。
关键技术之一——高低速兼顾的气动外形
为了实现大M数飞行，必须为高超声速飞机选择一种飞行阻力较低、强度较高、抗高温特性较好的气动布局。轴对称的弹头体的激波阻力相当小，导弹、炮弹、炸弹大都采用这种理想的外形。但用在高超声速飞行机上则不行，因为它以一定迎角飞行时的升力太小，低速特性太差，无法满足水平起降的要求。对于空天飞机之类的高超声速飞行器来说，不论你飞得多高、多快，总要返回地面。如果在起飞或着陆时升力不足，滑跑速度将会很大，滑跑距离势必会拉得很长，飞机就难以控制。因此，在研制高超声速飞机时，不能只考虑高速，还应该兼顾低速。
如何才能缓解高低速之间的矛盾，设计出既有利于大M数飞行，也有助于以较低速度起降的外形呢？经过大量的实验研究，目前多数方案都采用机翼为小展弦比、大后掠角的三角翼、双三角翼或边条翼的无尾式气动布局，如美国与苏联的航天飞机，美国的X-30、X-33、X-34高超声速研究机方案等。有些方案则选择了升力体方案，如美国的X-20、X-23、X-24A、X-24B、X-35系列研究机方案等。通过研究试验证明：升力体在再入大气层时，能够进行机动飞行；载人升力体在低速飞行时能被
有效控制；而全尺寸高超声速升力体能在跑道上着陆。
这两类布局方案各有优缺点，相对而言，三角翼和边条翼能更好地满足飞机对起降和机动飞行的要求，但它们的机翼比较薄，在高超声速和1000多摄氏度的环境条件下，要承受很大的动压和极高的温度，其结构强度问题、散热降温问题不好解决。而升力体的形状短粗，气动外形介于弹头体和带翼飞行器之间，从结构的角度讲，它对付高温、高压、高过载比较容易。
还有一些高超声速空天飞机方案，采用了大后掠角三角翼与升力体方案相结合的布局，以便吸收两者的优点，使飞机的高低速飞行特性和抗高温性能得以兼顾。
关键技术之二——优异的防热材料
空天飞机等高超声速飞行器要面对的另一难关是，由气动加热而引起的高温问题。理论计算表明，如果飞机在同温层飞行(该高度层的大气温度约为零下56摄氏度)，飞机的速度达到M数6的高超声速时，机头温度将升至1360摄氏度；而弹道导弹或宇宙飞船以M数10以上的速度再入大气层时，它们头部的表面温度高达2000～3000摄氏度。
高温给飞行器的结构设计和人员的防护等带来了一系列必须解决的问题。人所能忍受的最大环境温度也就是四五十摄氏度；机载电子设备、塑料、橡胶、有机玻璃等所能承受的“高温”不过100摄氏度左右；用于制造机体主要结构的铝合金的极限温度大约为250摄氏度；当温度超过450摄氏度时，钢材的强度就会大大减弱；钛合金的极限温度较高，但也不超过650摄氏度左右。
显然，在高超声速飞机上采用常规的结构和常规的设计方法是行不通的，必须采取特殊的措施。例如，为了保护飞行员及机内设备，要在机体表面与机舱之间，
加装隔热层；为了保护座舱玻璃，在作大M数飞行时，驾驶舱须缩入机体内，或在座舱玻璃的外面加盖上一层防护板。
在高超声速状态下，飞行器的各部位的表面温度是不一样的：尖端处的气动加热最严重，如机头、机翼、尾翼的前缘等，温度可高达1000多摄氏度，必须选用特殊的材料(如碳化矽纤维复合材料等)，并采取必要的降温措施；而机身中部、部尾，机翼前缘之后的上、下表面，温度则相对较低，可采用不锈钢、钛合金、高速固化钛硼合金等耐高温特性好的材料制造。
X-34高超声速研究机示意图
X-24A证明了载人升力体在低速飞行时能被有效控制
目前，抗高温性能最好的材料当属陶瓷。美国的航天飞机和部分水平起降的空天飞机方案，都在机体表面敷上了一层二氧化矽隔热陶瓷瓦。但陶瓷的强度和韧性较差，重量偏高，加工性也不好，解决的办法是发展陶瓷基复合材料。国外研制出的一种纤维增强陶瓷基复合材料，不但在高温条件下具有良好的强度和刚度，其韧性也与金属相当，可加工成适用于机体和发动机的耐高温部件。类似的非金属材料，如新型的反应烧结氮化硅材料的耐高温性能也很突出，可用于生产空天飞机的机翼前缘。金属基复合材料亦有相当好的应用前景，像钛基复合材料已可承受700摄氏度以上的高温，是设计制造高超声速飞行器的蒙皮、翼肋、框架和发动机部件的理