摘要：高速飞行器的发展离不开高温材料与热防护技术的进步，事关结构和推进系统的耐环境能力、效能、可靠性和经济可承受性。通过对近十届美国复合材料、材料与结构年会可公开的信息跟踪和调研，简要分析了主题设置、大会和分会场报告题目等情况，总结了相应的重点与热点研究方向。同时也从中认识到，在高温材料与热防护技术研发过程中，工程中的基础问题、创新性解决方案、多学科交叉与多部门联合、持续性数据库建设等工作，值得关注和借鉴。

关键词：高超声速；复合材料；材料与结构；高温；热防护；年会

引言

进入21世纪以来，以高超声速为主要技术特征的新型高速飞行器概念与装备，成为美、俄、欧、日等许多国家竞先发展的目标，进展迅速，新概念不断涌现，关键技术不断突破，飞行演示验证成败举世关注，一些项目已经多次完成任务，或进入战略/战术值班状态。高温材料、结构与热防护技术始终被认为是发展高速飞行器的核心使能技术，也是决定机体结构、推进系统和能量管理等关键环节研制成败、相关装备的任务能力和可实现性的短板技术：既有X-37B发展的新一代可重复使用热防护系统、龙飞船采用的新型低密度烧蚀防热材料的成功，也有HTV-2发展热结构复合材料技术的失利，更有Skylon云霄塔薄壁高温合金预冷器和氧化物陶瓷基复合材料的创新途径、Starship星舰不锈钢高温结构的颠覆性解决方案。但更多解决方案的技术状态、工艺水平和制备能力还远远不能满足工程化、实用化需求，处于各国投入大量人力、物力研发和探索之中。与其他高速飞行器关键技术相比，涉及高温材料和热防护技术的基础研究论文较多，但关键技术途径和实质性进展处于高度管控状态。本文跟踪和调研了美国每年度举办一次的专业级学术会议——复合材料、材料与结构年会（CMS年会）中有限的公开信息，并从中分析、发掘美国高速飞行器高温材料和热防护结构技术相关发展态势与趋势，以期达到以管窥豹、见微知著的目的。

1 复合材料、材料与结构年会介绍［1］

复合材料、材料与结构年会是美国先进陶瓷联合会（USACA） 针对受出口管控的先进材料，包括陶瓷、金属和碳基复合材料及其组分的相关研究，所承办的学术交流大会。该年会实质上是由美国空军、海军、陆军、导弹防御局、航空航天局（NASA）、DARPA和能源部共同组织，并受国际武器贸易条例限制（ITAR-restricted） 的技术和研发活动。该年会每年都在1月份美国佛罗里达州举行，正式会议为期四天，包括全体会议、不同主题分会场、参展商展览、复合材料手册-17（CMH-17） 协调委员会会议等四大部分。通过该会议平台，政府和军方既可以向研究人员传递需求和项目支持信息，研究人员也可以向政府项目传递新技术信息。因此，会议涉及的内容可部分反映本领域关注的问题，本文以此为入手点进行相关研究动态分析。

2 近十届CMS 年会内容分析［2-11］

2. 1 大会报告内容分析

每届CMS年会一般在全体会议环节安排2~4个大会报告。大会报告人既有来自于政府和军方的官员，也有来自著名公司、研究院所和高校的专家，还包括已经退休、经验丰富的专家或官员。每年与会的单位包括美国国防部、商务部、中央情报局（CIA）、NASA、空军研究实验室（AFRL）、DARPA、南方研究院，波音、通用电气（GE）、罗罗公司，弗吉尼亚大学、佐治亚理工学院、明尼苏达大学等。报告主题涵盖如高超声速、航空发动机等相关领域需求、未来挑战、投资战略与规划等，相关型号和材料研发历程回顾，陶瓷基复合材料、材料/环境交互作用、材料设计与材料信息学等关键或前沿材料技术，国家高超声速材料和结构科学中心、平台材料研发项目（MDP）、美国CMH-17协调委员会等重要机构或工作进展介绍等。

2. 2 分会场设立情况和关注的主要问题

根据近十届年会的会序册提供的信息，本文统计了各年度分会场设立情况和数量，如表1所示。结合各分会场安排的报告题目，可以粗略分析出各分会场及其对应研究领域关注的重点和热点。进一步可以通过不同年度中报告主题和数量的变化，分析相关领域的研究动向。

近十届年会中，CMC分会场安排最多，加之与其密切相关的陶瓷基复合材料行为和寿命分会场，占据了分会场总数量的三分之一以上，且从未间断。陶瓷基复合材料主要涉及SiC/SiC、C/SiC和氧化物陶瓷复合材料，尤其关注用于航空发动机、使用温度可达1482℃的新一代SiC/SiC，相关分会场一般由NASA Glenn研究中心和GE公司组织。报告重点涵盖：（1） SiC 纤维及其先驱体；（2） 三维预制体设计、优化及程序验证；（3）CVI/PIP/MI 及其混杂工艺；（4） 环境障涂层、CMC 设计许用值和ASTM 标准；（5） 外物损伤（FOD） 抗力与耐久性评估；（6） 高温/燃气/复杂应力环境下的蠕变、疲劳和破坏分析；（7） 基于声发射和电阻法的损伤监测与基于微波干涉计的无损检测与评价方法等。另外，也报告了CMC的工程化基体、自动纤维铺放、先驱体陶瓷增材制造、成本-性能关系、CMH-17更新、飞机设计和认证指导等问题。

表1 近十届主题及分会场数量情况

注：与其他主题合办分会场，只计入0.5个会场

陶瓷基复合材料行为和寿命在2012年是陶瓷基复合材料分会场的一个专场，自2013年独立设置分会场并持续至今。该分会场的重点是陶瓷基复合材料力学，一般由AFRL组织。会议报告的重点包括CMC多尺度建模、随机微结构敏感性行为与分析、多尺度/多物理场寿命预测方法等。其中，（1） 结合陶瓷结构分析与可靠性评估（CARES） 和微观力学分析/通用单胞法（MAC/GMC） 的分析程序开发；（2） 高温原位加载、高分辨三维微结构和损伤表征；（3） 增强CMC物理模型诊断与检测（EPPIC）；（4） 双向加载试验、随机虚拟试验技术和小样本确定许用值；（5） 温度时空分布可控的激光加热技术；（6） 环境诱发的性能衰减和寿命预测；（7） 积木式验证方法；（8） 美国联邦航空管理局（FAA） 适航认证；（9） 集成计算材料工程（ICME） 模型框架与高性能计算机模拟等报告非常具有特色和针对性。极端环境材料也是该年会一直设立的主题，主要涉及导弹防御、动能拦截、推进系统、空间能源等任务所需的抗极端服役环境材料和结构技术，一般由海军水面作战中心（NSWC） 组织。会议报告涉及面广、种类多，强调抗极端、多功能和低成本，重点包括：（1） 高熔点化合物、超高温陶瓷复合材料、难熔金属及高温涂层材料；（2） 零/微烧蚀火箭发动机热端部件；（3） 结构化绝热材料；（4） 气凝胶填充泡沫低温绝热材料；（5） 直接能/高功率激光防护材料；（6） 高温热电能源材料；（7） 高速射弹材料；（8） 无机聚合物透波复合材料；（9） 异质材料连接和结构装配技术；（10） 增材制造和低成本技术等。

C/C也是每届年会都设立分会场的主题，主要涉及传统的导弹鼻锥和固体火箭发动机应用热防护材料，新型高超声速飞行器发展的热结构材料，一般由AFRL组织。报告包括再入飞行器鼻锥应用新进展，固体火箭发动机C/C扩张段的设计、分析、制备与连接等，重点报告：（1） 高超声速飞行器热结构用二维C/C；（2） 基本性能测试方法评价与改进；（3） 气壳结构分析与地面试验；（4） 经济可承受性和低成本技术；（5） 3k、2204℃热处理的准各向同性先进C/C （ACC）-6复合材料许用值与数据库；（6） 带涂层ACC-6材料的主被动氧化；（7） 编织体增强C/C；（8） 高温测试仪器插件和超燃发动机进气道用C/C等。其中，将机器学习建模和马尔科夫链蒙特卡洛方法引入到COMPAS软件中以进行复合材料建模和参数优化、5轴3D打印连续纤维C/C、从可代表飞行特征的结构获取材料性质等工作非常值得关注。

烧蚀防热复合材料主题，主要涉及大气再入和星际进入的烧蚀体材料和烧蚀型热防护结构与系统，一般由NASA Ames研究中心组织。2016和2017年会以进入/下降/着陆材料与结构之名与高超声速主题合并，2018年以热防护系统为主题组织。在阿波罗飞船烧蚀和航天飞机可重复使用热防护系统之后，本主题报告的重点包括：（1） 轻质化先进烧蚀体、可共形与柔性烧蚀体；（2） 酚醛浸渍碳纤维烧蚀材料（PICA） 改进、缝隙填充与装配；（3） 猎户座飞船热防护系统；（4） 火星实验室热防护系统；（5） 高超声速充气展开气动减速器（HIAD）；（6） 自适应收放空间进入技术（ADEPT）；（7） 辐射加热模拟试验方法。近几年着力发展的三维编织预制体烧蚀热防护系统，演化成极端再入环境防热屏技术（HEEET），2020年报告了该材料的技术成熟度6级认定。另外用于热防护、生物学启发的光子材料和Lyocell酚醛浸渍碳烧蚀体（PICA-D） 同样值得关注。该年会几乎每个主题都与高超声速相关，但直接带有“高超声速”的主题在不同年度的名称、侧重点有所不同，一般由NASA Langley研究中心组织。

2011—2014年度期间，高超声速飞行器材料与结构评估主题重点报告了由HTV-2、X-51等项目牵引的相关材料与结构评价问题，包括：（1） 气凝胶及其浸渍陶瓷高温隔热毡；（2） CMC发动机热端部件与主动冷却、超高温陶瓷改性；（3） 热管冷却锐形翼前缘；（4） 热结构设计与试验方法；（5） 提出结构一体化热防护系统方案和可行性分析；（6） 探索高温结构和混杂热防护系统新概念；（7） 高超声速材料快速研发与插入（RIDHM） 计划进展。

2015—2017年度，高超声速飞行器材料与结构评估主题或去掉结构评估内容，或和进入/下降/着陆材料与结构主题合并，重点报告了：（1） ACC在导弹上应用；（2） 陶瓷点阵夹芯板增材制造；（3） 气壳式热防护系统概念；（4） CMC热交换器和可变形部件等内容。2016—2017 年度，针对DARPA为解决高超声速平台材料研发严重滞后于飞行器研发问题而设立的MDP项目，设立了单独的分会场，介绍了：（1） MDP的框架和技术途径；（2） C/C、C/SiC的ICME、制造和表征；（3） 材料信息学、制造成熟度等关键问题及其进展。2018年度，主题改为高超声速结构评价，介绍了：（1） 载人航天探索项目状态；（2） 代表性结构获取材料性能和利用简化飞行器模型确定材料可行性工作；（3） 组合环境试验能力建设和双层热防护系统试验验证等。

2019—2020年度，该主题又回到原来的材料与结构评估，介绍了：（1） 美国空军高超声速结构战略规划；（2） 翼前缘试验夹具（LEEF） 和高超声速结构一体化CMC 蒙皮（HySICS）；（3） 复合材料超燃发动机部件等进展；（4） CMC净成型增材制造和CMC紧固件表征；（5） 高温传感器研制与应用；（6） 高温热障与密封材料耐久性试验和评价；（7） 控制面高置信度载荷预测；（8） 可重复使用部件设计等内容。

值得关注的是，2020年会增加了高温复合材料与陶瓷制造主题分会场，而且由专门从事设计分析工作的材料研究与设计公司（MRD） 组织，重点关注高超声速C/C制造的关键和前沿问题，报告内容涉及：（1） 气壳结构可生产性及低产能生产条件；（2） 复杂形状C/C结构设计、分析与制造技术；（3） 基于连续纤维增强C/C和先驱体转化陶瓷复合材料的增材制造；（4） 预测制造中C/C几何变化的工艺模型；（5） 集成ICME框架到三维C/C虚拟工艺和虚拟试验等，旨在通过工艺、制造与理论和前沿技术结合，提高产品质量和生产能力。报告主题的变化，部分反映了高超声速热防护与热结构的重要性、挑战性和关注度，以及相关的项目进展。

结构陶瓷是近两届年会新增的主题分会场，由NSWC组织，涉及对象也与极端环境材料较为接近，但更加关注增材制造、先驱体转化和纳米化等技术途径。

2011年年会设置的高温传感材料与器件和热管理两个主题，重点报告了高温、无线、薄膜等温度、压力传感材料和应用，碳泡沫技术及其在热管理中应用等问题。相关内容在后续年会中融合到其他各个主题中。

CMH-17是复合材料相关的工程数据及获取方法的标准化参考手册，对促进材料技术成熟度，有效指导复合材料与结构设计、制造和应用至关重要。其中，陶瓷基、碳基、金属基复合材料进展相对缓慢，更具挑战性。2012年，设立了专门分会场召开CMH-17 第5 卷研讨会（Workshop），FAA工作人员介绍了树脂基复合材料认证的经验，陶瓷基复合材料的进展。其他研究人员也报告CMC试验标准现状和空军技术成熟度情况，并就CMC认证问题进行了研讨。2012年后，CMH-17研讨会成为CMS年会的一项固定主题，并且在陶瓷基复合材料主题分会场，每年都要报告CMH-17的更新情况。

3 认识和启发

3. 1 复合化与全链条

从年会的名称复合材料、材料与结构及报告题目情况可以看出：一是复合材料的重要性，以及研究中需要同时考虑材料和结构两个层次的问题；二是关注问题跨度大，从元素级材料体系构建、到低成本制造，从明确需求牵引到飞行验证总结，覆盖了从概念到产品的研究全链条。杜善义院士曾在20世纪90年代提出，要充分重视复合材料的“材料/结构一体化”特征，新世纪之初，提出了国防、航天航空领域材料与结构的“轻质化、抗极端、多功能、智能化”的需求和发展趋势，并明确指出复合化是满足上述需求和发展趋势的最为有效途径。从组分到复合，从工艺到制造，从结构概念到结构化能力，从性能表征到飞行验证，必须实现全链条的贯通，才能有效增强创新能力。

3. 2 充分重视基础和标准工作

从近十届报告题目可以看到，各个主题都涉及许多相关材料的基础、标准、前沿和概念等方面的研究工作，体现了对工程中科学问题的提炼，这是提升自主和创新能力的关键。例如，针对陶瓷基复合材料，不仅强调多尺度建模、多物理场耦合分析方法研究，而且要建立积木式校验和验证方法，力争实现准确、高效预测；非常重视材料、结构和服役环境特殊性带来的材料基础性能测试与表征问题，投入大量的人力、物力与财力改进测试方法，完善测试标准，充实材料数据库；积极把ICME、增材制造、人工智能、材料信息学等新技术融入到研发工作中，并争取尽早发挥实质性作用。

3. 3 及时总结和加速研发

2012年4月，美国公布了HTV-2第二次飞行失败的调查结果，其中，提到可能由于材料性能退化，致使C/C气壳结构部分剥落，进一步导致气动和控制系统失效而中止飞行。后续针对该问题的相关研究，从年会相关主题变化和报告方面也有所体现。在2015年39届年会上，C/C分会场前所未有地增加到5个，对猎鹰项目及气壳结构进行了系统总结。多个报告涉及到二维C/C性能测试，分析各种因素对测试性能的影响，尤其是层间剪切/拉伸性能、Ⅰ/Ⅱ型断裂韧性。后续年会也相继有测试方法改进、层间性能提升、ACC-6数据建立、MDP项目启动、高超声速C/C气壳结构可生产性及低产能生产条件等报告，反映了美国在此方面的努力方向和进展。

3. 4 多学科交叉与多部门联合

从近十届年会参会人员和报告合作者可以看到， 会议代表大都来自于各军兵种研发机构、NASA各大研究中心、国家实验室、知名企业和高校，形成了体现产/学/研/用/商联合、相对固定的专业“圈子“。同时超过一半的报告由来自不同单位、不同学科的多名合作者署名，如2012年极端环境应用材料分会场一篇关于集成高回报火箭推进技术计划（IHPRPT） 研究固体发动机无侵蚀喉衬方面的报告。该报告作者有8位，来自MRD公司、ATK 公司、AFRL、NSWC、Exothermics 公司、Plasma Processes 公司、UES 公司和南方研究院（SRI） 共8个单位。有些问题是多个研究组同时开展研究，连续几年报告题目不变，既有利于问题的深入，又体现了最新进展。各分会场安排一直不并行，也可能为更广泛的学术交流创造了条件。

4 结束语

“更快、更远、更高”一直是国防、航天航空追求的目标，高温材料与结构技术的水平决定了高速飞行器的能力。这些材料体系及相关技术不仅具有鲜明的“军民两用”特征，更是保障国家安全和实力的战略性技术，也是美国采用出口管控进行技术封锁的原因。本文从一个专业性年会近十届报告的有限公开信息入手分析，虽因信息有限及其不确切性，可能会导致认识有失偏颇，但仍可以分析出美国高速飞行器相关材料技术研究重点特点与趋势、研究方法模式与策略。“复合化”是高温材料与结构应对“轻质化、抗极端、多功能、智能化”最为有效途径，关键技术的突破需要关注材料到产品与工艺研究的“全链条”，更要注重提炼并采用创新性方案解决工程科学问题。国外持续性建设数据库，及时总结、快速迭代以加速研发，多部门多学科交叉长期投入的模式也非常值得借鉴。

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