在人类首次突破“音障”之后,研制超音速飞机的进展就加快了。1951年8月7日,美国海军的道格拉斯D.558-II型“空中火箭”式研究机的速度,达到M1.88。1953年,“空中火箭”的飞行速度又超过了M2.0,约合2172公里/小时。1954年,前苏联的米格-19和美国的F-100“超佩刀”问世,这是两架最先服役的仅依靠本身喷气发动机即可在平飞中超过音速的战斗机;很快,1958年F-104和米格-21也将这一记录提高到了M2.0。
当飞行器在稠密大气中作超音速飞行时,受激波与机体间高温压缩气体的加热和机体表面与空气强烈摩擦的影响,飞行器蒙皮的温度会随M数的提高而急剧上升。研究表明,当飞行器的飞行速度达到2倍声速时,其前端温度可达100℃;当飞行器的飞行速度达到3倍声速时,其前端温度可达350℃;已超过了铝合金的极限温度,使其强度大大削弱。此外,由空气和飞行器表面摩擦产生的热量,在超音速长时间飞行时热量急剧增加,不仅飞行员受不了,机内许多设备无法工作,飞机结构和材料也无法承受。航空界把飞行器作高速飞行时所遭遇到的这种高温情况称之为“热障”。
热障是飞行器作超音速飞行时,因气动加热而引起的一系列不利现象。主要包括:因飞行器本体温度升高导致材料性能下降,使结构强度和刚度降低;在结构中产生热应力,使结构应力、反应力和应变增大;过高的升温会使金属蒙皮熔化或烧毁;环境温度升高,使乘员和飞行器内设备不能正常工作。
一般把M数2.5作为“热障”的界线,低于这一值,气动加热不严重,可用常规的方法和材料设计、制造飞机;高于该值,则必须采取克服气动加热问题的措施。为克服热障,可采用耐热材料(钛合金和不锈钢等)、加装隔热设备、安装冷却系统等,保证飞机不会因高温而损毁。
热障的出现使空气动力学诞生了一个新的分支学科——气动热力学。它主要研究气动外形、飞行速度、边界层、大气环境等因素对飞机加热的影响,并为突破热障提供飞机外形设计指导。1956年9月27日,美国的X-2火箭飞机在试飞中首次突破了3倍音速大关,达到3.2马赫,首次突破热障,但不幸出现了事故导致坠毁。将“高空高速”这一情结发挥到极致的是两种“双3”飞机,前苏联米高扬设计局研制的米格-25战斗机和美国洛克希德公司研制的SR-71“黑鸟”战略侦察机。它们的升限高达3万米,最大速度则达到了惊人的M3.0,已经接近了喷气式发动机的极限。SR-71飞机,其机体的93%采用钛合金,因而顺利地越过了热障,创造了音速3.3倍的世界纪录。
高速导致高温这似乎是一道不可逾越的障碍。显然热障并没有阻挡住人类挺进宇宙的步伐,那么科学家们是如何克服热障,使航天器安全回家的呢?当宇宙飞行器遨游太空归来,到达离地面60-70km时,速度仍然保持在声速的20多倍,温度在10000℃以上,这样的高温足以把航天器化作一团烈火。即便当宇宙飞船和返回式卫星在重返大气层时,飞行器的飞行速度在6倍声速时,其前端温度也高达1480℃。为保证其不致被烧毁,给宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成的“盔甲”,把摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、汽化等一系列物理和化学变化中,“丢卒保车”就能达到保护宇宙飞行器的目的。一位宇航员描述了宇宙飞船闯过热障的壮观景象:飞船进入大气层,首先从舷窗中看到烟雾,然后出现五彩缤纷的火焰,同时发出噼噼啪啪的声音。这是飞船头部的烧蚀材料在燃烧,它们牺牲了自己,把飞船内的温度始终维持在常温范围,保护飞船平安返回地面。
作为烧蚀材料,要求汽化热大,热容量大,绝热性好,向外界辐射热量的本领强。烧蚀材料有多种,陶瓷是其中的佼佼者,而纤维补强陶瓷材料是最佳选择。近年来,研制成功了许多具有高强度、用它们制成的碳化物、氮化物复合陶瓷是优异的烧蚀材料,成为航天飞行器的不破盔甲。