作者:陈思 来源:中国科学报 发布时间:2017/1/23 12:12:17
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高温热防护:高超声速飞行器的守护神

 

“高超声速飞行器最大的挑战来自于‘热’,以及由热带来的气动、结构和推进等系统的一系列问题。”哈尔滨工业大学教授孟松鹤告诉《中国科学报》记者,要想实现近空间高超声速远程机动飞行,首先必须要克服飞行过程中产生的极端热载荷,同时为了提高结构效率对“减重”提出了更为苛刻的要求。因此,耐高温抗氧化材料、轻质热防护与热结构、高效热管理技术等成为高超声速飞行能否走向现实的决定性要素。

在国家自然科学基金委重大研究计划“近空间飞行器的关键基础科学问题”的九年持续支持下,高温热防护与轻质结构成为四大核心科学问题之一,项目承担单位取得了多项基础性、创新性研究成果,进一步揭示了材料超高温响应机理与失效机制,显著提高了材料耐环境与强韧化能力,发展了系统的测试与表征技术,提出了系列热防护与热管理的新方法,为国家高超声速热防护与轻质结构设计提供了有力的支撑,部分结果直接应用于国家重大需求的项目。

在多个培育项目和集成项目支持下,研究人员系统发展和完善了超高温力学性能测试、热力氧耦合性能测试、多参量热冲击性能表征方法,拓展了高温数字图像相关、光栅应变计以及光纤光栅传感器的测试能力,达到了国际公开报道的最高水平,直接服务国家重大需求。尤其是提出了创新的“主动成像”光学测量系统,首次实现氧化表面形貌和应力动态测量,并推广应用于多个工程部门。

研究人员发展了防热复合材料的多尺度分析方法,同时引入不确定性,发展了热防护系统的参数灵敏度分析方法及模型确认和验证方法,利用模糊数学手段建立了综合效能评价方法,并将之应用于实际工程分析与设计中,显著提高了预报精度与置信度。

相关项目深入认识了超高温防热材料的烧蚀/氧化/催化/辐射耦合行为,揭示了材料表面响应温度跃迁或突变的机制。研究人员还创新性地通过仿生设计陶瓷表面结构,使陶瓷表面热阻增加了近万倍,同时为传统研究方法提供了新思想,即通过对材料表面的微结构设计来获得所需的整体性能。研究成果发表在《物理评论快报》上,英国《新科学家》杂志、德国《焦点》周刊等予以报道。

此外,研究人员积极探索了热防护、热管理与轻质化的新概念、新材料和新方法。如利用光子晶体的光学特性调控热辐射,设计并制备了光子晶体热防护涂层;基于“壁虎脚仿生”原理,将碳纳米管均匀地接枝到超薄铝合金内衬表面,复合材料结构界面层强度提高了28%;突破纺丝工艺实现了高定向、宽平面结构的高导热沥青纤维的制备,石墨化连续长丝纤维热导率超过600W/mK,达到美国同类产品水平,以此为基础研制的高导热C/C复合材料为高温热管理提供了有效的技术途径。(陈思)

《中国科学报》 (2017-01-23 第6版 基金)
 
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