近日，法國首次公開了新型超聲速核導彈ASMPA-R的清晰圖像，其下一代高超聲速導彈已在研製中。下一代高超聲速導彈計劃採用超燃衝壓發動機，預計2035年列裝。

不僅僅是法國，美國、俄羅斯、英國、韓國、印度等多個國家，都在持續推進各自的高超聲速飛行器研製計劃。

在人類科技發展的歷程中，高超聲速飛行器被很多國家視為未來科技競爭新的制高點。

不過，飛行器突破極限時，也伴隨着堪稱“火焰煉獄”般的終極挑戰。想象一下，當飛行器以超聲速在大氣層邊緣或內部狂飆突進時，因高速氣流引起機體表面溫度急劇升高會產生一系列不利現象，科學家們稱之為“熱障”。在今年的中國科協年會上，有關專家圍繞這道在高超聲速時代演變得強度、廣度和複雜性都呈幾何級飆升的“新熱障”進行了深入探討。

這種“新熱障”，既是橫亙在高超聲速飛行器發展前路的“攔路虎”，也讓科學家和工程師們不斷尋求新對策，釋放出高超聲速飛行器的更多潛能。

本期，就讓我們撥開“熱障”的迷霧，回顧與展望這場人類智慧與無形烈焰的巔峰對決。

與烈焰共舞——

更快速度帶來更大挑戰

超聲速飛行，會讓空氣發出刺耳的“尖叫”。高超聲速飛行更是驚人，其速度最低門檻是5馬赫，即5倍聲速。然而，速度飆升的同時，帶來了“熱障”的困擾。

當飛行器破空疾馳時，劇烈的摩擦和擠壓，將巨大的動能轉化成了灼人的熱能，這就是“氣動加熱”。普通金屬在爐火中會變軟、熔化甚至燒毀。在飛行器上，這種升溫帶來的後果更加致命：材料強度崩潰、結構扭曲變形、內部精密儀器被烤成廢鐵……俄羅斯“先鋒”導彈某次試射過程中，因局部熱應力超出材料疲勞極限，導致熱防護層出現燒蝕損傷，影響了導彈結構的完整性。

高超聲速飛行時，飛行器表面溫度會飆升到1000～2000℃。更嚴峻的是，任務往往需要高超聲速飛行器在這種極端高溫環境下堅持數分鐘甚至數小時，熱量的累積效應考驗着材料和結構的耐久極限。

超聲速飛行產生的熱量，主要來自空氣與機身的摩擦。高超聲速飛行則不同。當高超聲速飛行器破開空氣時，氣流與飛行器表面不斷糾纏，產生了3大塑造熱流的關鍵現象：激波、邊界層分離和湍流。它們如同3位手法各異的“火焰雕塑師”，共同決定了熱量在飛行器身上的分布圖景和灼燒強度。

當高超聲速飛行器尖銳的前緣迎面撞上氣流時，仿佛撞上了一堵無形的“高壓氣牆”，這就是激波。穿過這道激波，空氣的溫度、壓強和密度直線飆升，將熱流如高壓水槍般射向飛行器表面。

在某些區域，緊貼飛行器表面的低速氣流層會從表面“剝離”開來，這就是邊界層分離。這種剝離會完全打亂原本相對規整的熱流分布，在某些地方形成意想不到的“高熱孤島”，極易引發局部過熱燒蝕。

湍流更是讓熱流變得難以預測。它的特性極其敏感，飛行器表面一絲微小的粗糙起伏或是幾何形狀的微小改變，都可能讓它“性情大變”，讓熱流預測如同霧裡看花。

高超聲速飛行產生的高溫是全方位的，幾乎覆蓋了整個飛行器表面。長時間炙烤會導致飛行器整體結構軟化變形，材料性能迅速退化，甚至連其內部的電子設備也會受高溫影響而失靈。此時，單一部位的“耐熱墊”徹底失效。隨着高超聲速飛行器速度極限的一再突破，一場從飛行器的整體構型、熱防護系統到內部熱管理的全面“防火革命”已經刻不容緩。

與氣流糾纏——

多重解困需要多領域協同

在高超聲速的極端熔爐里，氣動加熱、材料性能與結構力學這三者並非各自為戰，而是深度糾纏、互為因果，形成了一個危險的“死亡三角”閉環：氣動加熱將飛行器表面烤得通紅，材料在烈焰中強度下降、剛度減弱，甚至發生燒蝕或微觀結構劣化。於是結構開始變形、扭曲，或產生不穩定的振動。結構的變形又反過來改變了其周圍的氣流形態，從而再次影響氣動加熱的分布和強度，形成新的熱流衝擊。美國HTV-2“獵鷹”高超聲速飛行器第二次試飛失敗，就是因為高熱流致使飛行器翼前緣多層碳布被燒毀，影響了氣動性能，最終導致飛行器失控。

這種危險的相互作用，在具體材料層面體現得更為驚心。

比如陶瓷基複合材料，在持續高溫下，其內部的微觀結構會悄然變化，性能逐漸衰退。同時，氣動加熱帶來的巨大熱應力會在材料內部不斷累積。當這股應力超過材料的承受極限時，微小的裂紋便會產生。這些裂紋如同堤壩上的蟻穴，不僅削弱了材料本身的強度，還成為高溫氣體向內侵襲的通道，進一步破壞熱防護效果，危及整體結構安全。

再如金屬基複合材料，高溫下，金屬基體會像黃油般軟化，增強纖維或顆粒的性能也可能變化，再加上氣動加熱本身的不均勻性，會導致結構產生極其複雜的三維變形，給飛行器的結構設計師和熱防護工程師帶來噩夢般的難題。

因此，要解開“新熱障”的死結，絕非單一學科的獨角戲。它需要氣動熱力學、材料科學、結構力學等領域的頂尖大腦深度融合，協同作戰。一方面，要通過先進的計算機模擬，在虛擬世界中精確再現氣流、材料、結構三者間的複雜“死亡探戈”；另一方面，還要在真實的地面試驗設備中，將材料和結構投入模擬高超環境的烈焰熔爐進行嚴酷考驗，才能為未來飛行器的設計提供理論基石和試驗鐵證。

與熱障博弈——

多措並舉解決熱流之困

面對“新熱障”，傳統的被動防禦，如航天飛機上使用的隔熱瓦片，或者發動機葉片表面的熱障塗層，漸漸顯得力不從心。在應對高超聲速新熱障問題上，中國、美國、俄羅斯等國均通過材料創新、主動與被動防護技術結合、系統集成優化等措施，不斷提出自己的解決方案。目前，主要分為兩條路徑。

韓國新型高超聲速空對地導彈。資料圖片

第一條路是主動出擊。主動熱防護的精髓在於“主動”二字，它不需要硬扛烈焰，而是巧妙地調節能量的輸入或輸出，降低流向飛行器表面的“火蛇”。一種方法是借鑑生命的循環系統，讓冷卻介質在飛行器外殼或關鍵結構的內部管道中循環流動。冷卻介質在流經高溫區域時，像人體血液循環帶走代謝熱量一樣，帶走氣動加熱產生的熱量。另一種方法是部署強大的“熱量海綿”。利用熱沉材料自身巨大的熱容量，在短時間內將大量熱量儲存起來，延緩表面溫度的急劇攀升。給飛行器關鍵部位裝上這種“熱量海綿”，就能為其他防護措施贏得寶貴的響應時間。英國“佩刀”發動機提供了一種主動冷卻的創新方案。其通過高效預冷卻器，能在0.05秒內將吸入的1000℃空氣降至140℃。英國2016年公布了基於“佩刀”發動機技術的高超聲速飛機概念。

第二條路是被動防禦。被動防禦的核心在於充分利用材料本身的性能。科學家們對材料的探索從未止步：陶瓷基複合材料以其卓越的耐高溫性能一直是主力軍。科研人員不斷優化其配方和製備工藝，致力於提升其抵抗高溫氧化和抵禦冷熱劇變的能力。碳-碳複合材料以其輕質高強的特性，在超高溫度區表現出色，科學家們希望賦予其更強的抗氧化能力。美國X-51A高超聲速飛行器採用了碳-碳複合材料+超高溫陶瓷塗層，在高超聲速條件下能保持結構完整。

目前，智能熱防護材料是材料科學的前沿研究熱點。它們的設計目標是根據外界熱流或溫度的實時變化，自動調整自身的關鍵熱物理性能——比如在溫度驟升時減少熱量向內部傳遞，或者把更多熱量以紅外輻射形式散發出去，實現動態的、自適應的熱防護效果。

印度BM-04高超聲速彈道導彈。資料圖片

單純做到完美的熱防護，並非科研人員的最終目的，他們希望熱防護結構不僅能擋住烈焰，還要身兼數職，如承受載荷、透射電磁波甚至隱身等。這便需要科研人員精心設計材料的微觀結構和巧妙布局功能層，從而提升飛行器的整體性能。今年11月，國防科技大學研究團隊在《自然·通訊》刊文稱，他們成功研發出一種基於超表面的多功能複合材料。該材料可以在1000℃的高溫下，吸收從2GHz到12GHz的超寬帶雷達波。

隨着對“新熱障”本質認識的不斷深化，飛行器熱防護系統的設計理念也正在經歷一場深刻的範式革命——從“頭痛醫頭、腳痛醫腳”的單一性能優先，轉向了全局統籌、多學科協同的系統優化設計。這是一個漫長而曲折的過程，未來仍需“上下求索”的持續創新。