空天飛行器技術(shù)作為綜合性高新技術(shù)，是人類探索、開(kāi)發(fā)和利用空間資源的有效手段，幾十年來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)且將繼續(xù)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、國(guó)防、科學(xué)技術(shù)及人類生活產(chǎn)生巨大影響，也是帶動(dòng)綜合國(guó)力提升的牽動(dòng)性技術(shù)。發(fā)展空天飛行器，主要目的是不斷提高人類“進(jìn)入空間”“控制空間”和“利用空間”的能力。更高速度飛行是飛行器發(fā)展的永恒主題。高超聲速飛行與高超聲速飛行器是空天飛行器的重要發(fā)展領(lǐng)域，也是我國(guó)從航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志之一。

空天飛行器再入大氣層的高超聲速飛行，特別是大氣層內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間飛行的高超聲速飛行器，必然會(huì)經(jīng)受極端熱環(huán)境，這種熱障問(wèn)題是其成敗的關(guān)鍵。特別是高超聲速飛行器在大氣層內(nèi)超高速、超高溫、長(zhǎng)時(shí)間飛行，熱環(huán)境更為嚴(yán)酷。長(zhǎng)時(shí)間的氣動(dòng)加熱使得飛行器的頭部和翼緣等部位的表面溫度超過(guò)2 000℃，同時(shí)為保持氣動(dòng)外形，這些部位外表面不允許產(chǎn)生明顯燒蝕。如何耐受高溫并保證近零燒蝕和抗氧化，對(duì)熱防護(hù)材料而言極具挑戰(zhàn)。“輕”是空天飛行器追求的永恒主題。空天飛行器作為一種在特殊環(huán)境下飛行的升力體，對(duì)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)的要求更為強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)重量系數(shù)必須足夠小，才能保證有效載荷的比例，保證航行距離，所以必須采取既耐高溫又輕質(zhì)的新材料和結(jié)構(gòu)。

高溫固體力學(xué)是錢學(xué)森先生60 多年前提出的力學(xué)分支。高溫固體力學(xué)作為研究高溫作用下固體介質(zhì)及結(jié)構(gòu)受力、變形、破壞以及相關(guān)變化與效應(yīng)的一門學(xué)科，是實(shí)現(xiàn)空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、可靠應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)，充分認(rèn)知極端熱和熱力耦合環(huán)境特征、材料和結(jié)構(gòu)的性質(zhì)、性能以及材料和環(huán)境耦合作用機(jī)制，建立科學(xué)預(yù)測(cè)模型和分析方法，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提。高溫固體力學(xué)作為航空航天科學(xué)技術(shù)最重要的基礎(chǔ)和支撐學(xué)科之一，在學(xué)科發(fā)展和工程應(yīng)用的“雙力驅(qū)動(dòng)”下快速發(fā)展，不斷提升理論模型的描述和預(yù)測(cè)能力，積極謀求與其他學(xué)科進(jìn)行交叉創(chuàng)新，突破和解決這些問(wèn)題，才能適應(yīng)新時(shí)代航空航天技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)與趨勢(shì)。

▍材料高溫性能測(cè)試與表征技術(shù)的局限性

雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)具備可至3 000℃以上的材料高溫力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)，但無(wú)論是從測(cè)試方法和還是測(cè)試能力上，仍難以滿足未來(lái)新型空天飛行器，特別是高超聲速飛行器的發(fā)展需求。目前采用包括電阻輻射、紅外輻射、感應(yīng)耦合、直接通電、激光等多種手段，與實(shí)際服役工況相比，在材料熱響應(yīng)歷程、熱響應(yīng)分布、響應(yīng)機(jī)制上都存在很大的局限性，天地或空地一致性和有效性需要進(jìn)一步研究與驗(yàn)證；鑒于測(cè)試能力和成本限制，尺寸效應(yīng)和失效機(jī)制的影響還難以把握；許多高溫材料的工藝特點(diǎn)決定其組分性能具有強(qiáng)烈的“就位性能”特征，難以用原材料進(jìn)行測(cè)試和表征，組分材料的高溫性能測(cè)試技術(shù)亟待發(fā)展；如薄壁材料厚度方向性能、高脆性材料泊松比、低膨脹材料熱膨脹系數(shù)等常溫條件下難測(cè)的性能，如何獲取高溫性能更具挑戰(zhàn)；同時(shí)高溫動(dòng)態(tài)特性、高溫復(fù)雜應(yīng)力材料性能也亟須發(fā)展有效的方法；一些非傳統(tǒng)材料和結(jié)構(gòu)概念，如高溫梯度材料、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等如何測(cè)試和表征其高溫行為尚無(wú)解決的方法。

▲ 材料超高溫力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的材料超高溫力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)主要由DDL50 型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)、超高溫真空(充氣)環(huán)境艙、測(cè)控系統(tǒng)、程控電源、金屬水冷夾具和高強(qiáng)C/ C復(fù)合材料加載塊等組成。該系統(tǒng)采用通電電阻加熱技術(shù)，最高加熱溫度為3 000℃，控溫精度不小于試驗(yàn)溫度的0.5%，試驗(yàn)環(huán)境為真空或惰性氣體環(huán)境；最大試驗(yàn)載荷為50 kN，力測(cè)量精度：在力傳感器容量的0.4% ~100%范圍內(nèi)示值的±0.5%? 

▍高溫材料體系的復(fù)雜性

與傳統(tǒng)高溫材料要求不同，新型空天飛行器要求服役于極端環(huán)境下的材料和結(jié)構(gòu)兼具耐熱、防熱、隔熱、承載等多重功能屬性，復(fù)合化、陶瓷化成為發(fā)展趨勢(shì)。就目前研究熱點(diǎn)來(lái)看，超高溫陶瓷材料在耐高溫、抗氧化能力上雖有巨大潛力，但韌性較差的問(wèn)題依然困擾著其進(jìn)一步發(fā)展，通過(guò)復(fù)合化進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。以C/ C、C/ SiC、SiC/ SiC以及超高溫陶瓷基復(fù)合材料為代表的熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料其“陶瓷”屬性和工藝特性決定了內(nèi)部含有大量的初始缺陷，材料性能表現(xiàn)出很大的分散性，且與工藝密切相關(guān)；為輕質(zhì)化發(fā)展起來(lái)的新一代防隔熱一體化復(fù)合材料，多采用纖維增強(qiáng)多孔材料的途徑降低密度，采取涂層或組合形式提升綜合性能。這些研究對(duì)象材料組合和微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，給發(fā)展測(cè)試表征方法、建立分析模型、實(shí)現(xiàn)定量化預(yù)報(bào)、獲取優(yōu)化方案等力學(xué)理論和方法提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

飛行器設(shè)計(jì)要求采用成熟的材料體系，成熟的標(biāo)志是具有“A 或B 基準(zhǔn)”設(shè)計(jì)性能數(shù)據(jù)庫(kù)或經(jīng)“同行評(píng)審”的設(shè)計(jì)許用值數(shù)據(jù)庫(kù)，而針對(duì)熱防護(hù)和熱結(jié)構(gòu)材料要求又不盡相同。高溫陶瓷基和碳基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體系與工藝過(guò)程極為復(fù)雜，性能分析與表征十分困難。如何確定其性能，美國(guó)MIL HDBK 17 初步給出了確定A 和B 基準(zhǔn)許用值材料批次數(shù)量和每批次試樣數(shù)量，但仍存在多項(xiàng)內(nèi)容空缺，待后續(xù)完善。我國(guó)在此方面尚缺乏系統(tǒng)性的研究工作。

▍高溫本構(gòu)關(guān)系與強(qiáng)度理論的挑戰(zhàn)性

早在20 世紀(jì)50 年代，人們就能夠獲取關(guān)鍵耐高溫材料的高溫力學(xué)性能，現(xiàn)已將測(cè)試溫度拓展到3 000℃以上，材料高溫力學(xué)行為表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性，甚至高溫蠕變行為，但現(xiàn)在還只能從宏觀唯象上描述其本構(gòu)關(guān)系，尤其是高溫?fù)p傷演化對(duì)新型高溫復(fù)合材料本構(gòu)行為帶來(lái)的影響更需進(jìn)一步研究。“溫度”+“強(qiáng)度”成為固體力學(xué)最大的挑戰(zhàn)之一，尤其是高溫復(fù)合材料在復(fù)雜載荷條件下表現(xiàn)出來(lái)的多重失效模式更是難上加難，在現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常采取的是常溫試驗(yàn)獲得的簡(jiǎn)單二向強(qiáng)度準(zhǔn)則和一些有限的高溫試驗(yàn)結(jié)果，但由于復(fù)合材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在復(fù)雜載荷條件下表現(xiàn)出不同的破壞模式，雖加大安全系數(shù)，仍難保可靠性，且降低了結(jié)構(gòu)效率，亟須基礎(chǔ)研究的突破，研究基于不同失效機(jī)制、分象限擬合的強(qiáng)度包絡(luò)線，或建立強(qiáng)度理論。當(dāng)前發(fā)展的基于漸進(jìn)損傷分析的虛擬試驗(yàn)技術(shù)，有希望成為描述復(fù)雜高溫材料本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度準(zhǔn)則最為有效的技術(shù)途徑。

▍材料高溫力學(xué)行為研究的多學(xué)科性

傳統(tǒng)高溫固體力學(xué)研究方法，重點(diǎn)在于熱載荷對(duì)材料力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)行為的影響，必須發(fā)展力/ 熱耦合作用下的相關(guān)理論和方法。而對(duì)于服役于高溫環(huán)境下的材料或結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，材料表面與多種環(huán)境因素相互耦合，產(chǎn)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化及效應(yīng)，同時(shí)隨著服役溫度和時(shí)間的增加，材料內(nèi)部缺陷、損傷的演化也會(huì)由不同時(shí)空尺度上的物理化學(xué)變化所決定。如高超聲速飛行引起的高焓非平衡流動(dòng)與高溫材料表面作用機(jī)制復(fù)雜，材料響應(yīng)溫度既與熱流、壓力、焓值等環(huán)境參數(shù)直接關(guān)聯(lián)，又與材料氧化、催化和輻射特性密切相關(guān)，材料發(fā)生氧化、燒蝕、剝蝕、物性和組分改變，引起材料物性、表面狀態(tài)改變及質(zhì)量引射等效應(yīng)，又會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的流動(dòng)狀態(tài)、能量、組分及分布的改變。因此，高溫固體力學(xué)需要進(jìn)一步打破學(xué)科界限，與材料、物理、化學(xué)等學(xué)科進(jìn)行深度交叉與融合，才能達(dá)到發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象本質(zhì)，揭示機(jī)理，把握規(guī)律的目的。

高溫固體力學(xué)是一個(gè)具有戰(zhàn)略意義和需求顯著的研究方向，挑戰(zhàn)大、難度高，這些科學(xué)問(wèn)題如果得不到解決，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和研制中存在很大的盲目性，引起較大的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)安全、可靠服役產(chǎn)生致命性的影響，或由于過(guò)于保守引起結(jié)構(gòu)效率和性能下降，需要從國(guó)家層面給予重點(diǎn)關(guān)注和長(zhǎng)期、穩(wěn)定的支持。

未來(lái)發(fā)展建議:

▍充分認(rèn)識(shí)我國(guó)在高溫固體力學(xué)研究方面的不足和缺口，利用已有相關(guān)研究?jī)?yōu)勢(shì)單位，重點(diǎn)投入，建設(shè)系統(tǒng)的國(guó)家級(jí)高溫試驗(yàn)設(shè)施，發(fā)展逐漸成熟的數(shù)值模擬方法和軟件，鼓勵(lì)更多學(xué)者積極探索與此相關(guān)的新理論、新方法和新技術(shù)，同時(shí)避免碎片化、同質(zhì)化和低水平重復(fù)。

▍高溫固體力學(xué)具有明確而極為重要的需求背景和艱巨的學(xué)科挑戰(zhàn)特征，積極促進(jìn)力學(xué)本身內(nèi)部及與其他學(xué)科的深層次交叉，充分發(fā)揮力學(xué)“建模、試驗(yàn)、定量化預(yù)報(bào)”的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)更需要加強(qiáng)產(chǎn)、學(xué)、研大力協(xié)同和聯(lián)合，將知識(shí)創(chuàng)新有機(jī)融入技術(shù)創(chuàng)新體系，在實(shí)踐中不斷檢驗(yàn)和完善新理論、新方法和新技術(shù)。

▍結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)展態(tài)勢(shì)和新型飛行器的發(fā)展需求，建議未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展如下研究方向：

• 發(fā)展創(chuàng)新性高溫測(cè)試方法，并高度重視與極端、原位、全場(chǎng)、內(nèi)部、在線試驗(yàn)和表征技術(shù)相結(jié)合，以獲取更加豐富的信息；

• 充分借助先進(jìn)的試驗(yàn)和數(shù)值技術(shù)，發(fā)展能夠描述高溫本構(gòu)和失效行為的“多場(chǎng)、多尺度”建模、分析和優(yōu)化方法，強(qiáng)調(diào)模型的試驗(yàn)驗(yàn)證，不斷提高預(yù)報(bào)方法的置信度和精度；

• 加強(qiáng)與高溫材料和服役環(huán)境相關(guān)的不確定性定量化方法研究，發(fā)展材料概率壽命預(yù)測(cè)和損傷容限分析方法；

• 把材料高溫行為的理解集成到結(jié)構(gòu)尺度模擬中，實(shí)現(xiàn)基于非確定性框架下的結(jié)構(gòu)尺度高置信度失效模擬；

• 促進(jìn)多學(xué)科交叉，與“高溫物理效應(yīng)”和“計(jì)算材料學(xué)”結(jié)合，創(chuàng)制和優(yōu)化新型熱防護(hù)和熱結(jié)構(gòu)概念。

本文摘編自《高溫固體力學(xué)》（杜善義著. 北京:科學(xué)出版社，2021.12）一書“第1章 緒論”“前言”，有刪減，標(biāo)題為編者所加。

高溫固體力學(xué)/杜善義

科學(xué)出版社旗艦店

126.40購(gòu)買

（本文編輯：劉四旦）