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（即飛行速度與周圍大氣的音速之比，M數也成為馬赫數）的提高而急劇上升。飛行 M數為 2.0時，機頭處的溫度略超過100℃。而當 M數等於3.0時，飛行器表面的溫度則升至350℃左右，已超過了鋁合金的極限溫度，使其強度大大削弱。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”。簡單來說，熱障是指飛機的飛行速度超過一定界限時因高速氣流引起機體表面溫度急劇升高而遇到的障礙。
基本介紹
- 中文名：熱障
- 外文名：thermal barrier;thermal curtain
- 相關學科：航空；氣動熱力學；飛行器運行
定義,知識背景,M數,氣動熱力學,突破熱障的歷程,飛行器運行的“三大障礙”：音障 熱障 黑障,音障,熱障,黑障,突破熱障的方法之熱防護方法以及燒蝕材料,熱防護方法分類,燒蝕材料的分類,燒蝕材料的評價方法,突破熱障的方法之複合熱障塗層,解決辦法,飛機失事,
定義
飛機的飛行速度超過一定界限時因高速氣流引起機體表面溫度急劇升高而遇到的障礙。飛機在飛行時，機體表面與空氣強烈摩擦會產生熱量。如果速度低於一定值，產生的熱量不大，很容易散發掉。當速度超過這個值時，產生的大量氣動熱來不及散發，於是引起機體表面溫度急劇升高，並因此產生許多新問題。飛機的飛行速度越高，加熱越嚴重，導致機體材料結構強度減弱，剛度降低，使飛機外形受到破壞，甚至發生災難性的顫振。一般認為，飛機出現熱障的速度段在馬赫數2.5（即2.5倍音速）以上。對於要突破熱障的飛機，必須採取防熱措施，如採用耐熱材料、加裝隔熱設備安裝冷卻系統等。
熱障
熱障知識背景
在晴朗的夜晚，仰望燦爛星空，有時會看到耀眼的隕星，倏忽即逝。它為什麼會發光呢？ 原來，這是高速飛行的隕星進入大氣層與空氣劇烈摩擦，猛烈燃燒而發出的光亮 。當宇宙 太空飛行器完成任務返回地球時，面臨著與隕星同樣的殘酷生存環境。研究表明， 當宇宙飛行 器的飛行速度達到3倍聲速時，其前端溫度可達330℃；當飛行速度為6倍聲速時，可達1480℃ 。
熱障
熱障宇宙飛行器遨遊太空歸來，到達離地面60-70千米時，速度仍然保持在聲的20多倍，溫度在10000℃以上，這樣的高溫足以把太空飛行器化作一團烈火。高速導致高溫這似乎是一道不可逾越的障礙，人們把這種障礙稱為熱障。顯然熱障並沒有阻擋住人類挺進宇 宙的步伐， 那么科學家們是如何服熱障，使太空飛行器安全回家的呢？
隕石穿越太空到達地球的神奇經歷給了科學家們以特殊的啟迪。分析隕石的成分和機構發現 ，隕石表面雖然已經熔融，但內部的化學成分沒有發生變化。這說明隕石在下落過程中， 表面因摩擦生熱達到幾千度高溫面熔融，但由於穿過大氣層的時間很短，熱量來不及傳到隕石內部。給宇宙飛行器的頭部戴一頂用燒蝕材料製成“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。
一位太空人描述了宇宙飛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，同時發出噼噼啪啪的聲音。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。
M數
為了更好地表達飛行速度接近或超過當地音速的程度，科學家採用了一個反映飛行速度的重要參數：馬赫數。它是飛行速度與當地音速的比值，簡稱M數。M數是以奧地利物理學家伊·馬赫的姓氏命名的。馬赫曾在19世紀末期進行過槍彈彈丸的超音速實驗，最早發現擾動源在超音速氣流中產生的波陣面，即馬赫波的存在。M數小於1，表示飛行速度小於音速，是亞音速飛行；M數等於1，表示飛行速度與音速相等；M數大於1，表示飛行速度大於音速，是超音速飛行。
氣動熱力學
突破熱障的歷程
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”這一情結髮揮到極致的是兩種“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。
為克服熱障，可採用耐熱材料（鈦合金和不鏽鋼等）、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。
米格-25戰鬥機
RS-71“黑鳥”戰略偵察機飛行器運行的“三大障礙”：音障 熱障 黑障
從航空器到太空飛行器，從軍用機到民航機，當飛行器的飛行速度接近音速或超過音速的一定倍數時，飛行器飛行會引起或遇到一系列不正常的現象，給飛行器造成不同程度的“障礙”，嚴重時可導致飛行器損毀事故，這就是飛行器運行的“三大障礙”——音障、熱障和黑障。
音障
音障是40年代後期出現的一個名詞。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。
當飛行速度快接近音速時，飛機的性能急劇變化，操縱困難，飛行速度再也上不去了。這就是所謂的“音障”。造成“音障”的原因，主要是因為飛機上出現了局部超音速區，出現了激波，使氣流嚴重分離，阻力劇增。解決這一問題的辦法，一是採用後掠翼等先進氣動布局，二是進一步加大發動機推力。
世界上第一架衝擊音障的試驗機是美國製造的X-1試驗機。它設計成尖尖的機頭、薄薄的機翼，乾乾淨淨的外形，結構極其結實，用4台火箭發動機作為動力。1947年10月14日，美國空軍的試飛員查克·耶格爾上尉，駕駛貝爾X-1型“空中火箭”式動力研究機，在12800米的高空，使飛行速度達到1078公里/小時，相當於M1.015。24歲的查克·耶格爾從此成為世界上第一個飛得比聲音更快的人，使他的名字載入航空史冊。
飛機突破音障的瞬間
飛機突破音障的瞬間熱障
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。
飛機在空中飛行，會與空氣發生摩擦，空氣受到阻滯和壓縮，流速降低，動能轉化為熱能，使飛機表面加熱。如馬赫數3時，機頭溫度可上升到360攝氏度。它造成的危害會使蒙皮和結構變形，使儀表設備失靈，燃料蒸發或易燃等，從而成為影響飛機速度提高的一個障礙，這種現象就是“熱障”。
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（鈦合金和不鏽鋼等）、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。
黑障
黑障是發生在大氣層的一種特有現象。當衛星、航天飛船、洲際飛彈等空間飛行器以很高的速度再入大氣層返回地球時，在一定高度和一定時間內與地面通信聯絡會嚴重失效，甚至完全中斷，這就是黑障。
黑障區大約出現在地球上空35-80km的大氣層間。宇宙飛船在通過黑障時，船體外殼將達到2000攝氏度的高溫，高溫一是有可能會使船體框架變形，導致墜毀；二是使飛船喪失與外界的無線電聯繫，從而地面人員無法得知飛船的實時狀況。
黑障是怎樣形成的呢？我們知道，所有飛行器返回大氣層的時候，飛行速度極高，可以達到音速的十幾倍到幾百倍，這就使飛行器的前端形成了一個很強的激波。由於飛行器頭部周圍激波的壓縮和大氣的粘度作用，使高速飛行的動能大量轉化為熱能。由於氣動加熱，貼近飛行器表面的氣體和飛行器材料表面的分子被分解和電離，形成一個等離子層。由於電漿具有吸收和反射電磁波的能力，因此包裹飛行器的電漿層，實際是一個等離子電磁波禁止層。所以當飛行器進入被電漿包裹狀態時，飛行器外的無線電信號進不到飛行器內，飛行器內的電信號也傳不到飛行器外，一時間，飛行器內外失去了聯繫。此時，地面與飛行器之間的無線電通信便中斷了。
隨著飛行器高度的下降，當速度降低到一定程度時，不再有足夠的溫度使氣體分子電離，電漿層解除，黑障就會消失。
在黑障區，由於返回艙跟地面控制中心片刻失去通訊，且與大氣層的摩擦會產生上千攝氏度的高溫，這段期間航天員最危險。如果不採取防熱措施，航天員將無法承受，返回艙結構也會受損毀。以前的航天員無防範，萬一因為太空船在這裡燒船就會殉職。現今的航天員必須穿著太空衣經歷這個黑障區。
黑障的範圍取決於再入體的外形、材料、再入速度，以及發射信號的頻率和功率等。黑障區給載人飛船再入返回時的實時通信和再入測量造成困難。從20世紀50年代起，人們就開始研究黑障及其消除方法。一方面通過設計比較理想的再入體的外形和噴灑某種消除等離子的材料來消除或減弱等離子鞘；另一方面改良通信與測量的方法和設備，以減弱黑障區的影響，例如，提高信號的頻率和功率，將天線安裝在等離子鞘最薄的位置等。但是這些方法只能縮簡訊號中斷的時間，還不能完全解決再入黑障問題。另一種構想是用毫米波或雷射穿透等離子鞘來解決再入通信中斷問題。
突破熱障的方法之熱防護方法以及燒蝕材料
熱防護方法分類
主要有吸熱法：採用質量大、比熱容高的金屬，但因其質量大，而且高溫下易熔融變形，現已被淘汰；
輻射法：採用輻射率高、吸收率低的難熔金屬，但在高熱流條件下套用受到限制；
燒蝕法：在熱流作用下，材料本身能發生分解、熔化、蒸發、升華等多種吸熱的物理化學變化，借材料自身質量消耗帶走大量熱量，從而阻止熱傳導到材料的內部結構中。這是目前套用最為廣泛的熱防護方法。
燒蝕材料的分類
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， 成為航天飛行器的不破盔甲。
燒蝕材料按燒蝕機理分為升華型、熔化型和碳化型3類。
聚四氟乙烯、石墨和碳/碳複合材料屬於升華型。這些材料在高溫下升華，帶走大量熱量，而且碳是一種輻射係數較高的材料，因而具有很好的抗燒蝕性能。不過這類材料的隔熱性能較差，加上這類材料的成本較高，限制了其更廣泛的套用。
石英和玻璃屬於熔化型燒蝕材料。這些材料在高溫下熔化吸收熱量，而且熔化後形成的SiO2液態膜具有抗高速氣流沖刷的能力，不過這類材料的工藝性較差，不適合成型大面積防熱套。
纖維增強樹脂複合材料屬於碳化型燒蝕材料。它是以纖維或布作為增強材料，以樹脂為基體製成複合材料。這類材料主要利用高分子材料在高溫下碳化吸收熱量,並進一步利用其形成的碳化層輻射散熱。
這3類材料中,以碳化型燒蝕材料套用最多。
燒蝕材料的評價方法
對燒蝕材料的評價,從兩個層面上展開,即性能測試和模擬試驗。性能測試主要包括以下四個方面:
比熱。比熱大的材料在燒蝕過程中可以吸收大量的熱量;
熱導係數。熱導係數低的材料能使高溫部分僅限於表面,導致熱量難以傳入內部結構中去;
燒蝕速度。材料在高溫環境中的燒蝕速度要小;
密度。密度小的材料在航天航空領域中能最大限度地減少結構件的總質量。
突破熱障的方法之複合熱障塗層
燃氣渦輪發動機被廣泛的套用于飛機，船舶，車輛和發電機組。在過去的50年間，典型燃氣輪機的渦輪前溫度已經從960℃提高到了1500-1600℃，而渦輪機葉片多由Ni基（或Co基）高溫合金構成，這一溫度已慢慢接近其熔點。在葉片表面製備一層阻礙高溫火焰和基體直接接觸的陶瓷材料，就能實現提高使用溫度，降低系統冷卻要求的目的。這部分起到隔熱和抗氧化作用的塗層系統，就是所謂的熱障塗層。
熱障圖層材料
熱障圖層材料解決辦法
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，那么科學家們是如何克服熱障，使太空飛行器安全回家的呢？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，這樣的高溫足以把太空飛行器化作一團烈火。即便當宇宙飛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。一位太空人描述了宇宙飛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，同時發出噼噼啪啪的聲音。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。
目前主要由如下方法突破熱障：採用特殊的規避熱障的設計，耐熱材料（鈦合金和不鏽鋼等）、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。
飛機失事
美國宇航局確認，美國“哥倫比亞”號太空梭外部燃料箱表面泡沫材料安裝過程中存在的缺陷，是造成整起事故的禍首。“哥倫比亞”號太空梭事故調查委員會去年公布的調查報告稱，外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中太空梭熱保護系統，是導致事故發生的主要原因。
事故發生後，由於無法迅速找回事發時的泡沫材料和燃料箱進行檢驗，宇航局和事故調查委員會一直沒對事故原因作出最終定論。目前，“哥倫比亞”號外部燃料箱約50萬塊碎片已被找到並重新拼在一起。宇航局負責“哥倫比亞”號外部燃料箱工程的首席工程師尼爾·奧特說，宇航局經多次試驗確定，泡沫材料安裝過程有缺陷是造成事故的主要原因。
奧特說，泡沫材料本身的化學成分沒有問題，問題在於用噴槍在燃料箱外敷設泡沫材料的過程。試驗表明，目前的敷設工藝會在各塊泡沫材料之間留下縫隙，液態氫能夠滲入其間。太空梭起飛後，氫氣受熱膨脹，最終導致大塊泡沫材料脫落。撞擊“哥倫比亞”號的泡沫材料有手提箱大小，重約0.75公斤。它幾乎是被整塊“撕下”後，高速撞擊到太空梭左翼前緣的熱保護系統，並形成裂隙。太空梭重返大氣層時，超高溫氣體得以從裂隙處進入“哥倫比亞”號機體，造成太空梭解體。
奧特說，根據新標準對燃料箱進行檢測是目前擺在美國宇航局面前的最大障礙。新標準要求，不允許有0.5盎司（14.17克）以上的燃料箱外泡沫材料脫落。美國宇航局目前準備對所有太空梭的11個燃料箱進行檢測，檢查每個燃料箱需要4千萬美元。
