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据外媒报道，近日，法国首次公开了新型超声速核导弹ASMPA-R的清晰图像，其下一代高超声速导弹已在研制中。下一代高超声速导弹计划采用超燃冲压发动机，预计2035年列装。
不仅仅是法国，美国、俄罗斯、英国、韩国、印度等多个国家，都在持续推进各自的高超声速飞行器研制计划。
在人类科技发展的历程中，高超声速飞行器被很多国家视为未来科技竞争新的制高点。
不过，飞行器突破极限时，也伴随着堪称“火焰炼狱”般的终极挑战。想象一下，当飞行器以超声速在大气层边缘或内部狂飙突进时，因高速气流引起机体表面温度急剧升高会产生一系列不利现象，科学家们称之为“热障”。在今年的中国科协年会上，有关专家围绕这道在高超声速时代演变得强度、广度和复杂性都呈几何级飙升的“新热障”进行了深入探讨。
这种“新热障”，既是横亘在高超声速飞行器发展前路的“拦路虎”，也让科学家和工程师们不断寻求新对策，释放出高超声速飞行器的更多潜能。
本期，就让我们拨开“热障”的迷雾，回顾与展望这场人类智慧与无形烈焰的巅峰对决。
与烈焰共舞——
更快速度带来更大挑战
超声速飞行，会让空气发出刺耳的“尖叫”。高超声速飞行更是惊人，其速度最低门槛是5马赫，即5倍声速。然而，速度飙升的同时，带来了“热障”的困扰。
当飞行器破空疾驰时，剧烈的摩擦和挤压，将巨大的动能转化成了灼人的热能，这就是“气动加热”。普通金属在炉火中会变软、熔化甚至烧毁。在飞行器上，这种升温带来的后果更加致命：材料强度崩溃、结构扭曲变形、内部精密仪器被烤成废铁……俄罗斯“先锋”导弹某次试射过程中，因局部热应力超出材料疲劳极限，导致热防护层出现烧蚀损伤，影响了导弹结构的完整性。
高超声速飞行时，飞行器表面温度会飙升到1000～2000℃。更严峻的是，任务往往需要高超声速飞行器在这种极端高温环境下坚持数分钟甚至数小时，热量的累积效应考验着材料和结构的耐久极限。
超声速飞行产生的热量，主要来自空气与机身的摩擦。高超声速飞行则不同。当高超声速飞行器破开空气时，气流与飞行器表面不断纠缠，产生了3大塑造热流的关键现象：激波、边界层分离和湍流。它们如同3位手法各异的“火焰雕塑师”，共同决定了热量在飞行器身上的分布图景和灼烧强度。
当高超声速飞行器尖锐的前缘迎面撞上气流时，仿佛撞上了一堵无形的“高压气墙”，这就是激波。穿过这道激波，空气的温度、压强和密度直线飙升，将热流如高压水枪般射向飞行器表面。
在某些区域，紧贴飞行器表面的低速气流层会从表面“剥离”开来，这就是边界层分离。这种剥离会完全打乱原本相对规整的热流分布，在某些地方形成意想不到的“高热孤岛”，极易引发局部过热烧蚀。
湍流更是让热流变得难以预测。它的特性极其敏感，飞行器表面一丝微小的粗糙起伏或是几何形状的微小改变，都可能让它“性情大变”，让热流预测如同雾里看花。
高超声速飞行产生的高温是全方位的，几乎覆盖了整个飞行器表面。长时间炙烤会导致飞行器整体结构软化变形，材料性能迅速退化，甚至连其内部的电子设备也会受高温影响而失灵。此时，单一部位的“耐热垫”彻底失效。随着高超声速飞行器速度极限的一再突破，一场从飞行器的整体构型、热防护系统到内部热管理的全面“防火革命”已经刻不容缓。
与气流纠缠——
多重解困需要多领域协同
在高超声速的极端熔炉里，气动加热、材料性能与结构力学这三者并非各自为战，而是深度纠缠、互为因果，形成了一个危险的“死亡三角”闭环：气动加热将飞行器表面烤得通红，材料在烈焰中强度下降、刚度减弱，甚至发生烧蚀或微观结构劣化。于是结构开始变形、扭曲，或产生不稳定的振动。结构的变形又反过来改变了其周围的气流形态，从而再次影响气动加热的分布和强度，形成新的热流冲击。美国HTV-2“猎鹰”高超声速飞行器第二次试飞失败，就是因为高热流致使飞行器翼前缘多层碳布被烧毁，影响了气动性能，最终导致飞行器失控。
这种危险的相互作用，在具体材料层面体现得更为惊心。
比如陶瓷基复合材料，在持续高温下，其内部的微观结构会悄然变化，性能逐渐衰退。同时，气动加热带来的巨大热应力会在材料内部不断累积。当这股应力超过材料的承受极限时，微小的裂纹便会产生。这些裂纹如同堤坝上的蚁穴，不仅削弱了材料本身的强度，还成为高温气体向内侵袭的通道，进一步破坏热防护效果，危及整体结构安全。
再如金属基复合材料，高温下，金属基体会像黄油般软化，增强纤维或颗粒的性能也可能变化，再加上气动加热本身的不均匀性，会导致结构产生极其复杂的三维变形，给飞行器的结构设计师和热防护工程师带来噩梦般的难题。
因此，要解开“新热障”的死结，绝非单一学科的独角戏。它需要气动热力学、材料科学、结构力学等领域的顶尖大脑深度融合，协同作战。一方面，要通过先进的计算机模拟，在虚拟世界中精确再现气流、材料、结构三者间的复杂“死亡探戈”；另一方面，还要在真实的地面试验设备中，将材料和结构投入模拟高超环境的烈焰熔炉进行严酷考验，才能为未来飞行器的设计提供理论基石和试验铁证。
与热障博弈——
多措并举解决热流之困
面对“新热障”，传统的被动防御，如航天飞机上使用的隔热瓦片，或者发动机叶片表面的热障涂层，渐渐显得力不从心。在应对高超声速新热障问题上，中国、美国、俄罗斯等国均通过材料创新、主动与被动防护技术结合、系统集成优化等措施，不断提出自己的解决方案。目前，主要分为两条路径。
第一条路是主动出击。主动热防护的精髓在于“主动”二字，它不需要硬扛烈焰，而是巧妙地调节能量的输入或输出，降低流向飞行器表面的“火蛇”。一种方法是借鉴生命的循环系统，让冷却介质在飞行器外壳或关键结构的内部管道中循环流动。冷却介质在流经高温区域时，像人体血液循环带走代谢热量一样，带走气动加热产生的热量。另一种方法是部署强大的“热量海绵”。利用热沉材料自身巨大的热容量，在短时间内将大量热量储存起来，延缓表面温度的急剧攀升。给飞行器关键部位装上这种“热量海绵”，就能为其他防护措施赢得宝贵的响应时间。英国“佩刀”发动机提供了一种主动冷却的创新方案。其通过高效预冷却器，能在0.05秒内将吸入的1000℃空气降至140℃。英国2016年公布了基于“佩刀”发动机技术的高超声速飞机概念。
第二条路是被动防御。被动防御的核心在于充分利用材料本身的性能。科学家们对材料的探索从未止步：陶瓷基复合材料以其卓越的耐高温性能一直是主力军。科研人员不断优化其配方和制备工艺，致力于提升其抵抗高温氧化和抵御冷热剧变的能力。碳-碳复合材料以其轻质高强的特性，在超高温度区表现出色，科学家们希望赋予其更强的抗氧化能力。美国X-51A高超声速飞行器采用了碳-碳复合材料+超高温陶瓷涂层，在高超声速条件下能保持结构完整。
目前，智能热防护材料是材料科学的前沿研究热点。它们的设计目标是根据外界热流或温度的实时变化，自动调整自身的关键热物理性能——比如在温度骤升时减少热量向内部传递，或者把更多热量以红外辐射形式散发出去，实现动态的、自适应的热防护效果。
单纯做到完美的热防护，并非科研人员的最终目的，他们希望热防护结构不仅能挡住烈焰，还要身兼数职，如承受载荷、透射电磁波甚至隐身等。这便需要科研人员精心设计材料的微观结构和巧妙布局功能层，从而提升飞行器的整体性能。今年11月，国防科技大学研究团队在《自然·通讯》刊文称，他们成功研发出一种基于超表面的多功能复合材料。该材料可以在1000℃的高温下，吸收从2GHz到12GHz的超宽带雷达波。
随着对“新热障”本质认识的不断深化，飞行器热防护系统的设计理念也正在经历一场深刻的范式革命——从“头痛医头、脚痛医脚”的单一性能优先，转向了全局统筹、多学科协同的系统优化设计。这是一个漫长而曲折的过程，未来仍需“上下求索”的持续创新。
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