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                    高溫熱防護對于高超聲速飛行器的重要性分析

                    [2019-03-26 14:15]
                    “高超聲速飛行器最大的挑戰來自于‘熱’,以及由熱帶來的氣動、結構和推進等系統的一系列問題。”哈爾濱工業大學教授孟松鶴告訴《中國科學報》記者,要想實現近空間高超聲速遠程機動飛行,首先必須要克服飛行過程中產生的極端熱載荷,同時為了提高結構效率對“減重”提出了更為苛刻的要求。因此,耐高溫抗氧化材料、輕質熱防護與熱結構、高效熱管理技術等成為高超聲速飛行能否走向現實的決定性要素。
                     
                    在國家自然科學基金委重大研究計劃“近空間飛行器的關鍵基礎科學問題”的九年持續支持下,高溫熱防護與輕質結構成為四大核心科學問題之一,項目承擔單位取得了多項基礎性、創新性研究成果,進一步揭示了材料超高溫響應機理與失效機制,顯著提高了材料耐環境與強韌化能力,發展了系統的測試與表征技術,提出了系列熱防護與熱管理的新方法,為國家高超聲速熱防護與輕質結構設計提供了有力的支撐,部分結果直接應用于國家重大需求的項目。
                     
                    在多個培育項目和集成項目支持下,研究人員系統發展和完善了超高溫力學性能測試、熱力氧耦合性能測試、多參量熱沖擊性能表征方法,拓展了高溫數字圖像相關、光柵應變計以及光纖光柵傳感器的測試能力,達到了國際公開報道的最高水平,直接服務國家重大需求。尤其是提出了創新的“主動成像”光學測量系統,首次實現氧化表面形貌和應力動態測量,并推廣應用于多個工程部門。
                     
                    研究人員發展了防熱復合材料的多尺度分析方法,同時引入不確定性,發展了熱防護系統的參數靈敏度分析方法及模型確認和驗證方法,利用模糊數學手段建立了綜合效能評價方法,并將之應用于實際工程分析與設計中,顯著提高了預報精度與置信度。
                     
                    相關項目深入認識了超高溫防熱材料的燒蝕/氧化/催化/輻射耦合行為,揭示了材料表面響應溫度躍遷或突變的機制。研究人員還創新性地通過仿生設計陶瓷表面結構,使陶瓷表面熱阻增加了近萬倍,同時為傳統研究方法提供了新思想,即通過對材料表面的微結構設計來獲得所需的整體性能。研究成果發表在《物理評論快報》上,英國《新科學家》雜志、德國《焦點》周刊等予以報道。
                     
                    此外,研究人員積極探索了熱防護、熱管理與輕質化的新概念、新材料和新方法。如利用光子晶體的光學特性調控熱輻射,設計并制備了光子晶體熱防護涂層;基于“壁虎腳仿生”原理,將碳納米管均勻地接枝到超薄鋁合金內襯表面,復合材料結構界面層強度提高了28%;突破紡絲工藝實現了高定向、寬平面結構的高導熱瀝青纖維的制備,石墨化連續長絲纖維熱導率超過600W/mK,達到美國同類產品水平,以此為基礎研制的高導熱C/C復合材料為高溫熱管理提供了有效的技術途徑。

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