什么皮肤？能扛得住3000℃的高温？
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“5,4,3,2,1，点火！！！”在尾部高压燃剂的助力下，载着人类的期许，火箭挣开大地的束缚，奔向浩瀚的宇宙。众所周知，火箭和航天器在超高速飞行的过程中，与大气摩擦产生大量的热，那么如此极端温度下是谁保证了航天飞行器的正常运转呢？
空间站实验舱发射
图片来源：中国载人航天网
与空气摩擦生热高达2000℃！
随着航空航天技术迅猛发展和实现空天一体化的迫切需要，近年来，高超音速飞行器成为了多国航空航天部门发展的重点领域。所谓高超音速飞行意味着其飞行速度等于或大于5倍音速，即至少每小时6120公里，以此速度，约2小时便可从北京飞到伦敦。但在稠密大气中以每秒差不多1.7公里的惊人速度飞行，会和空气剧烈摩擦，产生大量的热量，导致航天器表面温度达到2000℃以上。
返回舱示意图
图片来源：veer图库
2000℃是什么概念呢？就是铁、钢、铜、金、铝等材质的材料，都将会直接熔化。但是航天器里面是有航天员的，例如神舟十二号载人飞船返回舱载着三名航天员返回地球，返回舱与大气层剧烈摩擦形成一个大火球，表面温度峰值达到1650℃，而内部温度不能超过30℃，但难熔金属材料密度高、加工性能和抗氧化性差，不适合作为高超音速飞行器的热防护材料。C/C复合材料虽已用于导弹、航天飞机等领域，但其高温下易发生氧化，限制了它在超高温领域的应用，因此我们需要更加先进的手段满足要求。
根据超音速空气动力学，飞行器在以高超音速飞行时，空气的粘性作用致使飞行器表面产生强烈的气动热，能使附着气体产生分解和电离，形成复杂的混合气体，飞行器前缘驻点温度将高达2000℃以上，飞行器自身周围也包裹在1000℃以上的高温环境中。
高超音速火箭示意图
图片来源：veer图库
例如中国火箭“胖五”托举火星探测器需要加速到每秒11.2千米以上的速度。但如此高速飞行，前提是飞行器的关键结构部件能够承受住剧烈的空气摩擦和高达2000-3000℃的热气流冲击而不被破坏。另外，单体内部的各个电子组件，自身发热的同时又不便于散热，如何防止它们自燃或者熔化，也是一个问题，这就需要一种高效的热防护材料，而新发现的超高温陶瓷涂层及其复合材料可为上述部件提供较好的保护。
20世纪90年代美国开始实行SHARP计划，到目前为止，美国NASA研究的HfB2-SiC超高温陶瓷最为出名。国内从20世纪70年代开始开展超高温材料的探索工作，已经获得了许多可喜成果。特别是近年来，国内相关单位已经联合开展超高温陶瓷材料的研究工作并得到一些实际应用，新一代部分航天器研制也已经开展。
飞行器前端温度分布
图片来源：中国数字科技馆
航天器防护的探索历程
激波防热及热沉防热：最早采用的一种热防护技术是基于钝头的激波防热技术，利用这层激波可以耗散大量能量并实现航天器自身快速减速，从而减少作用于其表面的气动加热作用，选用的材料是具有高热容量的金属 (如钨、钼、铜等)。但是，由于吸热量不够大且较为笨重，目前新一代航天器已经淘汰了这种技术，但在空间探测领域仍有广泛的应用。
烧蚀类热防护材料的能量调节机制
图片来源：作者自制
扛得住3000℃的超强皮肤
硼化物、碳化物和氮化物UHTCs的熔点和密度
图片来源：著作-超高温陶瓷复合材料
抗烧蚀性和抗热震性。超高温陶瓷复合材料最大特点是：宏观上看是均质材料，微观上看是非均质材料。非均质材料是指沿着某一方向其物理、化学、力学等单一或复合性能发生变化，以适应不同环境，实现某种特殊功能的先进材料，由于分子间的作用力来源于结合方式，因此可以通过设计，航天器具有优秀的抗烧蚀能力，能够完美地对航天器进行降温，带走大量的热量。
除此之外，超高温陶瓷复合材料还能够通过调控使各组分的优势得到更大的发挥，同时可以重复回收利用，大大地降低了热防护材料的成本，将对未来航天航空的发展产生重大的影响。
星辰浩瀚，征程漫漫
未来科学家将通过微结构的设计和控制实现超高温陶瓷材料损伤容限和可靠性的大幅度提高，为超高温陶瓷材料的应用奠定基础。在诸多超高温陶瓷复合材料强韧化方法中，碳纤维增强增韧、纤维增强体结构与性能退化的抑制及多尺度增韧将是超高温陶瓷复合材料未来强韧化的主要研究方向。
随着中国国防能力的不断提高，新一代载人飞船和新一代大推力火箭都已在研制过程中，同时还需要性能更加优秀的材料等待着我们，中国航天要“走得比梦还远”。
浩瀚的星空
图片来源：pixabay.com
参考资料：
[1] 中国载人航天官网www.cmse.gov.cn/xwzx/202210/t20221031_51175.html
[2] 中国数字科技馆 (www.cdstm.cn)
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[4] 学粉网https://xue.cnpowder.com.cn/bkdetail_54370.html
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作者：王振
作者单位：中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所
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