刘海涛

首先说明，这里的SHARP，不是夏普电子公司，而是美国国家航空航天局艾姆斯研究中心（NASA Ames Research Center）与美国空军、桑迪亚国家实验室（Sandia National Labs）联合进行了两次飞行试验的飞行器名称代号：SHARP-B1和SHARP-B2。

提到SHARP，首先从高超声速飞行器的设计说起。近年来世界各国都相继开展了高超声速飞行器的研究，而在飞行器超高声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境下，火箭喷嘴入口、吸气增强推进系统、机翼前缘以及鼻锥等关键部件都会在燃料燃烧以及飞行过程与大气的激烈磨擦中产生高温。根据理论分析，机翼前缘的温度与机翼前缘半径的平方根呈反比，因此早期的飞行器设计均采用钝头设计来降低飞行器各部件的温度。美国在上世纪六十年代开始对尖锐前缘飞行器及其热防护系统进行了分析设计。理论证明，锐头设计能够提高飞行器的可靠性，有效降低可重复使用运载器的研制及发射成本。但是具有锐头设计的超高声速飞行器也对能够在燃料燃烧和大气摩擦产生的高温下实现结构负载应用的材料提出了新的要求。如飞行器在穿越大气层时，机翼前缘，发动机进气道的材料必须能承受2000°C以上的高温，同时还要具有良好的抗氧化性、抗热冲击性、抗烧蚀性并保持一定的高温强度。目前，有望在2000°C以上使用的材料主要有超高温陶瓷材料（UHTCs）、难熔金属、C/C复合材料等。

超高温陶瓷材料主要有以铪、锆、钽等形成的硼化物、碳化物以及氮化物。UHTCs具有很高的熔点，一般都高于3000°C，例如: HfB2熔点为3380°C，ZrB2熔点为3245°C。除此之外，UHTCs还具有非常高的硬度、良好的耐磨性、机械强度以及高热导率（相对于其它陶瓷材料）。由于这些特点，UHTCs是热防护系统的理想材料，尤其是在要求化学性质和结构稳定的极端高温操作环境中。研究表明，由UHTCs制备的尖锐鼻锥的能量主要通过材料的热传导和冷表面的再辐射来进行热管理。而目前，UHTCs还没有达到可实际应用的程度，学者们主要研究UHTCs的热导率、断裂韧性和机械强度以及在高温环境中的抗氧化性。如果UHTCs能够应用在高超声速飞行器的尖锐前缘或大气再入飞行器上，将是航空航天工业史上的再一次革命。

UHTCs的研究始于20世纪60年代初期，最早是在美国空军材料实验室（AFML）的资助下由ManLabs 实验室进行的研究，旨在研究满足高超声速飞行器鼻椎和机翼前缘需求的高温材料。ManLabs 实验室的UHTCs 研究工作虽然一直在断断续续地进行，但是UHTC的研究进程比较缓慢，没有取得明显突破，应用也没有得到很好的推广。直到20世纪90年代，随着人们对高致密度块体精细UHTCs材料兴趣的增加，才加快了研究步伐。NASA、美国军方、高校以及其它一些研究机构对UHTCs和UHTCs复合材料进行了大量的性能评估研究。20 世纪90 年代初，艾姆斯研究中心沿袭前期的研究，继续采用SiC作为添加剂，加入到HfB2陶瓷中以增加其抗氧化性，同时对材料的地面电弧喷射测试表明，该材料的使用温度可达到2200°C。

在经历了地面测试后，UHTCs要开始它的实际飞行试验了。1997 年5 月21 日，艾姆斯研究中心与美国空军、桑迪亚国家实验室联合进行了首次飞行试验来验证制备的UHTCs材料在再入环境中的性能，这次试验的飞行器被称为SHARP-B1。SHARP是Slender Hypersonic Aero-thermodynamic Research Probe每个单词的首字母组成的缩写。而这次试验的目的就是验证锐头体飞行器的高温稳定性，所以，采用的飞行器鼻锥也是尖锐的（sharp），恰好与飞行器的代号SHARP不谋而合，这算是一种巧合吧？有学者认为：UHTCs材料的试验成功将会颠覆一个传统的空间动力学原则，那就是：只有钝头体飞行器才能够承受自己在再入大气层时所产生的灼热高温。图1为SHARP-B1飞行器以及由UHTCs制备的小尺寸鼻锥。SHARP-B1飞行器是在MARK12A再入飞行器的基础上进行改装，使用由HfB2-SiC UHTCs制备的小尺寸尖锐鼻锥替代原来的C/C鼻锥，将其暴露在真实的再入环境中，测试由HfB2-SiC制备的鼻锥性能。但由于SHARP-B1飞行器是非回收的，所以其试验后的形貌以及一些相关测试数据都无法得到。

艾姆斯研究中心等机构又准备了第二次飞行试验：这次参与飞行试验的SHARP-B2设计成可回收的。SHARP-B2飞行器仍然是在MARK12A再入飞行器的基础上改装的，MARK12A飞行器使用C/C鼻锥和碳/酚醛树脂热防护罩，由不同成分的UHTCs制成的4个长度为5.1英寸的翼前缘分布在飞行器的外侧，如图2所示。每一个UHTCs翼前缘包含三部分，每一部分都由不同的UHTCs材料组成（HfB2-SiC，ZrB2-SiC和ZrB2-C-SiC，如图2所示）。试验中将翼前缘部件暴露在再入环境中，下降不同的高度后，再收入飞行器体内，以便UHTCs材料可以进行回收。翼前缘收回的高度根据材料的烧蚀温度极限来确定。2000 年9 月28日，SHARP-B2在“民兵III型”运载器的载带下由范登堡（Vandenberg）空军基地起飞了。图3展示了SHARP-B2的飞行试验过程。这次的飞行试验过程包括：从运载器上分离和在外大气层抛射后， SHARP-B2从643公里的高空以极高的速度返回地球大气层；下降一定高度后，一对翼前缘收回飞行器内，再降落一定高度后，另一对翼前缘也收回飞行器内；最后，是回收阶段，使用降落伞减缓飞行器的下落速度，并最终降落在南太平洋。返回过程中，在UHTCs翼前缘下方的传感器对材料飞行时的温度进行了实时测量，其中，第一对翼前缘在材料温度即将达到其烧蚀蒸发温度前收回飞行器内，而另一对翼前缘则在烧蚀刚开始不久后也马上收回飞行器内。传感器显示其烧蚀温度为2815°C。看到这一令人激动的结果，该项目的总工程师Jeff Bull说：“我们的目标就是能够将这种（锐头体飞行器）技术应用到下一代再入飞行器工业的使用中，而SHARP-B2也证明了我们在未来锐头体空间飞行器的探索中迈出了重要一步。”

第二次试验飞行后，研究者们对SHARP-B2飞行器和试验小片进行了回收，并对回收的材料进行测试。测试结果表明: 由于制备的UHTCs材料分布不均匀，出现了大量的HfB2颗粒和SiC颗粒聚集现象，导致材料机械性能较差，因此也对这类材料今后的设计和制备提出了更高的要求。不过，这两次SHARP试验还是有力地证明了UHTCs是具有良好应用前景的超高温耐烧蚀结构材料。

图1 SHARP-B1

图2 SHARP-B2

图3 SHARP-B2飞行试验过程示意图