前方“高能”：飛行器有三大障礙之熱障

飛行器有三大障礙， 音障、黑障和熱障。 音障一詞來源於40年代後期。 1945年6月， 英國試飛DH-106"燕子"時， 因飛機速度接近音速， 造成機身破裂， 機毀人亡。 事故發生後， 英國的一個科學家說："音速像是面前的一堵障礙牆。 "於是， "音障"這個術語誕生並流行開來。 看過《飛機超音速飛行》一文後， 想必大家對於音障已經略知一二， 下面我們就來講講第二種情況——"熱障"。

在人類首次突破"音障"之後， 研製超音速飛機的進展就加快了。 1951年8月7日， 美國海軍的道格拉斯D.558-II型"空中火箭"式研究機的速度， 達到M1.88。 1953年， "空中火箭"的飛行速度又超過了M2.0， 約合2172公里/小時。 1954年， 前蘇聯的米格-19和美國的F-100"超佩刀"問世， 這是兩架最先服役的僅依靠本身噴氣發動機即可在平飛中超過音速的戰鬥機;很快， 1958年F-104和米格-21也將這一記錄提高到了M2.0。

當飛行器在稠密大氣中作超音速飛行時， 受激波與機體間高溫壓縮氣體的加熱和機體表面與空氣強烈摩擦的影響，

飛行器蒙皮的溫度會隨M數的提高而急劇上升。 研究表明， 當飛行器的飛行速度達到2倍聲速時， 其前端溫度可達100℃;當飛行器的飛行速度達到3倍聲速時， 其前端溫度可達350℃;已超過了鋁合金的極限溫度， 使其強度大大削弱。 此外， 由空氣和飛行器表面摩擦產生的熱量， 在超音速長時間飛行時熱量急劇增加， 不僅飛行員受不了， 機內許多設備無法工作， 飛機結構和材料也無法承受。 航空界把飛行器作高速飛行時所遭遇到的這種高溫情況稱之為"熱障"。

航空發動機旋渦葉片熱障塗層的應用

熱障是飛行器作超音速飛行時， 因氣動加熱而引起的一系列不利現象。 主要包括：因飛行器本體溫度升高導致材料性能下降， 使結構強度和剛度降低;在結構中產生熱應力， 使結構應力、反應力和應變增大;過高的升溫會使金屬蒙皮熔化或燒毀;環境溫度升高， 使乘員和飛行器內設備不能正常工作。

一般把M數2.5作為"熱障"的界線， 低於這一值，

氣動加熱不嚴重， 可用常規的方法和材料設計、製造飛機;高於該值， 則必須採取克服氣動加熱問題的措施。 為克服熱障， 可採用耐熱材料(鈦合金和不銹鋼等)、加裝隔熱設備、安裝冷卻系統等， 保證飛機不會因高溫而損毀。

熱障的出現使空氣動力學誕生了一個新的分支學科——氣動熱力學。

它主要研究氣動外形、飛行速度、邊界層、大氣環境等因素對飛機加熱的影響， 並為突破熱障提供飛機外形設計指導。 1956年9月27日， 美國的X-2火箭飛機在試飛中首次突破了3倍音速大關， 達到3.2馬赫， 首次突破熱障， 但不幸出現了事故導致墜毀。 將"高空高速"這一情結發揮到極致的是兩種"雙3"飛機， 前蘇聯米高揚設計局研製的米格-25戰鬥機和美國洛克希德公司研製的SR-71"黑鳥"戰略偵察機。 它們的升限高達3萬米， 最大速度則達到了驚人的M3.0， 已經接近了噴氣式發動機的極限。 SR-71飛機， 其機體的93%採用鈦合金， 因而順利地越過了熱障， 創造了音速3.3倍的世界紀錄。

黑鳥突破熱障瞬間

高速導致高溫這似乎是一道不可逾越的障礙。顯然熱障並沒有阻擋住人類挺進宇宙的步伐，那麼科學家們是如何克服熱障，使航天器安全回家的呢?當宇宙飛行器遨遊太空歸來，到達離地面60-70km時，速度仍然保持在聲速的20多倍，溫度在10000℃以上，這樣的高溫足以把航天器化作一團烈火。即便當太空船和返回式衛星在重返大氣層時，飛行器的飛行速度在6倍聲速時，其前端溫度也高達1480℃。為保證其不致被燒毀，給宇宙飛行器的頭部戴一頂用燒蝕材料製成的"盔甲"，把摩擦產生的熱量消耗在燒蝕材料的熔融、汽化等一系列物理和化學變化中，"丟卒保車"就能達到保護宇宙飛行器的目的。一位宇航員描述了太空船闖過熱障的壯觀景象：飛船進入大氣層，首先從舷窗中看到煙霧，然後出現五彩繽紛的火焰，同時發出劈劈啪啪的聲音。這是飛船頭部的燒蝕材料在燃燒，它們犧牲了自己，把飛船內的溫度始終維持在常溫範圍，保護飛船平安返回地面。

作為燒蝕材料，要求汽化熱大，熱容量大，絕熱性好，向外界輻射熱量的本領強。燒蝕材料有多種，陶瓷是其中的佼佼者，而纖維補強陶瓷材料是最佳選擇。近年來，研製成功了許多具有高強度、用它們製成的碳化物、氮化物複合陶瓷是優異的燒蝕材料，成為航太飛行器的不破盔甲。

以上熱障知識大家瞭解得怎樣？雖說現代的技能發展我們這種障礙基本已經對我們威脅不大，但是飛行員還是有必要"克己守禮"。更多相關內容大家可以在環球低空APP瞭解，通過手機下載APP，"掌上飛行錦囊"就免費呈上啦！

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黑鳥突破熱障瞬間

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作為燒蝕材料，要求汽化熱大，熱容量大，絕熱性好，向外界輻射熱量的本領強。燒蝕材料有多種，陶瓷是其中的佼佼者，而纖維補強陶瓷材料是最佳選擇。近年來，研製成功了許多具有高強度、用它們製成的碳化物、氮化物複合陶瓷是優異的燒蝕材料，成為航太飛行器的不破盔甲。

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