“高超聲速飛行器最大的挑戰(zhàn)來自于‘熱’，以及由熱帶來的氣動、結構和推進等系統(tǒng)的一系列問題。”哈爾濱工業(yè)大學教授孟松鶴告訴《中國科學報》記者，要想實現(xiàn)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(chǎn)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(zhì)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(xiàn)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(xù)支持下，高溫熱防護與輕質(zhì)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(chuàng)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(huán)境與強韌化能力，發(fā)展了系統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)發(fā)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(shù)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(chuàng)新的“主動成像”光學測量系統(tǒng)，首次實現(xiàn)氧化表面形貌和應力動態(tài)測量，并推廣應用于多個工程部門。

    研究人員發(fā)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(fā)展了熱防護系統(tǒng)的參數(shù)靈敏度分析方法及模型確認和驗證方法，利用模糊數(shù)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(chuàng)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(tǒng)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(fā)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(zhì)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(diào)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(nèi)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(xiàn)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(xù)長絲纖維熱導率超過600W/mK，達到美國同類產(chǎn)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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責任編輯：劉洋

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