碳／碳復合材料在美國高超聲速裝備中應用面臨挑戰

　　

　　一、碳／碳復合材料的背景情況

　　

　　碳／碳復合材料是增強體纖維和基體材料均為純碳元素的一類特殊材料。作為一種工程材料，碳／碳復合材料的本質是一種陶瓷材料，卻表現出脆性到假塑性行為，被認為是碳纖維編織網狀結構的復合材料。制造和應用這種材料的目的是將碳纖維的高比強度和剛度優勢，與碳基體的出色耐火性能結合，形成理想的耐高溫結構材料。

　　

　　雖然優異的高溫力學性能使得碳／碳復合材料成為高溫應用不二選擇，但兩大因素制約了其進一步應用——易氧化和高成本。第一代碳／碳復合材料長時間暴露在工況環境中會發生氧化，隨著第二代抗氧化碳／碳復合材料的出現，這一瓶頸問題基本被克服。目前對于一般工程行業而言，碳／碳復合材料應用較少，主要原因仍然在于成本。與傳統材料相比，碳／碳復合材料雖然具備更優異的性能，但經濟性較差，因此僅有航空航天、高端賽車等行業能夠承受高成本壓力下材料所能夠提供的性能收益。與鋼制制動器相比，基于碳／碳復合材料制造的制動器熱容量更高，重量減輕40%，使用壽命增加1倍，因此自1974年首次在飛機制動器中應用以來，碳／碳復合材料材料已成功代替傳統鋼材，成為飛機制動器的首選材料。目前全球約70%碳／碳復合材料產量用于制造飛機制動器盤件。除此之外，基于優異高溫力學性能，近年來各國圍繞碳／碳復合材料在耐火結構材料、渦噴發動機部件、導彈鼻錐、火箭前緣、噴嘴、隔熱罩、高超聲速飛行器熱端部件等潛在應用部位，積極探索開展了研究工作。

　　

　　二、高超聲速武器成為碳／碳復合材料熱點應用領域

　　

　　

　　

　　圖 1 圖中展示的是B-52“同溫層堡壘”機翼下的X-52A“乘波者”。該機由普惠公司SJY61超燃沖壓發動機提供動力，最終完成加速到馬赫數5飛行的試驗（美空軍圖片）

　　

　　（1）碳／碳復合材料隨高超聲速飛行器完成試飛驗證

　　

　　美國長期致力于開展高超聲速飛行器的研制攻關。20世紀90年代，美空軍研究實驗室（AFRL）啟動了一項名為“HyTECH”的超燃沖壓發動機研制計劃，并與普·惠公司簽署合同。從HyTECH計劃孕育而生的SJX61發動機，最初是為X-43C飛行器而設計，X-43后期研發中止后，改為應用于X-51中。

　　

　　X-51“乘波者”是波音公司研發的一款高超聲速無人試驗機，其最高飛行速度可達馬赫數5.1，是美國眾多超燃沖壓發動機試驗機之一。X-51A是該機的首款試驗機，設計掛載在B-52“同溫層堡壘”轟炸機機翼下發射。2010年5月26日，X-51A在4分鐘之內依靠固體火箭助推器加速至4.8馬赫，與助推器分離后再啟動沖壓發動機，成功加速至5.1馬赫，最后墜入太平洋，完成了首次試驗。

　　

　　高超聲速飛行器能夠以馬赫數5以上速度持續飛行，采取能夠發揮極端速度優勢的外觀設計只是其中一部分，選擇能夠承受高速飛行的結構材料是重中之重。高超聲速飛行器在高速飛行過程中，部分結構表面溫度最高可超過2700℃，必須使用長時耐溫能力更強的材料。潛在可選擇的材料包括碳／碳復合材料、陶瓷以及鉭、鉿等難熔合金。X-51A主要結構仍然使用傳統航空航天級材料制造，如鋁合金、鋼、高溫合金和鈦合金等，在前緣鰭、整流罩等需要極端耐熱的部件中使用了碳／碳復合材料。X-51A的成功首飛，除了驗證超燃沖壓發動機的推進系統的可行性外，也同時驗證了碳／碳復合材料作為高超飛行器熱防護系統材料的可靠性。

　　

　　

　　

　　圖 2根據2021年預算情況顯示，美國防部部署的6項高超聲速相關項目已經處于不同的發展階段（美國防部圖片）

　　

　　隨著全球高超聲速飛行器研發競爭的持續升溫，作為高超聲速飛行技術的誕生地，美國研制進度稍顯遲滯。美國防部已經將高超聲速武器列為優先發展事項，在2021年的國防預算中為相關研究計劃安排超過32億美元投資。另據美國新興技術研究所最新研究報告，2023年國防預算中，美國國會將會為高超聲速飛行器相關事宜提供超過60億美元。該報告同時還進一步指出，高溫材料在高超聲速飛行器中有大量應用，經過十多年的試驗測試與研發，碳／碳復合材料甚至被認為是“高超聲速系統中涂層、熱端包覆結構材料的唯一選擇”。正因如此，碳／碳復合材料在高超聲速武器系統中的應用研究成為熱點。

　　

　　（2）美國重金資助碳／碳復合材料工程化制造

　　

　　伴隨著美國防部對高超聲速武器系統研制和采購的強烈投資，針對碳／碳復合材料的性能開發與可制造性研究也以項目形式進行了投資部署。2019年12月，美空軍研究實驗室宣布投資“高超聲速裝備用碳／碳復合材料制造”（MOC3HA）項目，旨在快速穩定碳／碳復合材料性能水平，提升制造成熟度，整合制造創新資源，進一步加速碳／碳復合材料的生產交付速度，為高超聲速裝備的大規模采購奠定供應基礎。

　　

　　

　　

　　圖 3 美空軍研究實驗室的“高超聲速裝備用碳／碳復合材料制造”（MOC3HA），將碳／碳復合材料實驗室階段的制造成果轉向工程制造，實現推廣應用

　　

　　美空軍研究實驗室在MOC3HA項目的任務要求中表示，作為高超聲速系統應用中的關鍵材料，由于美國高超聲速武器系統仍未大規模生產，利用碳／碳復合材料生產的零部件數量不足，導致自動化制造技術發展緩慢，手工制造相關零部件仍是主流方式?；谶@種現狀，生產一個碳／碳復合材料零部件甚至需要數月時間，不僅低效且成本昂貴。MOC3HA項目關鍵目標是通過研究、設計、開發和實驗等方式，實現高超聲速應用領域碳／碳復合材料零部件的自動化制造，幫助國防部降低采購高超聲速裝備的成本，縮短交付周期。根據美空軍研究實驗室的投資計劃，MOC3HA項目包括2D和3D碳／碳復合材料制造技術研發與自動化、近凈形部件生產、自動化生產流程的適用性評估、大尺寸部件的制造與連續生產、可靠性與性能驗證、部件制造成本降低與周期縮短的演示驗證等六項具體任務。

　　

　　美空軍研究實驗室共計收到5份不定期交付／不確定數量（ID/IQ）合同投標，最終美國巴特爾紀念研究所（Battelle）中標，于2020年11月贏得一份7年、總價值最高達4630萬美元的合同，其中美空軍研究實驗室在2020財年向中標方的研究、開發、測試和評估提供630萬美元首筆資金。巴特爾于2018年加強了針對高超聲速飛行器外殼和結構用關鍵高溫碳材料基本制造工藝的研發投入。通過承擔MOC3HA項目，巴特爾召集了一支由碳／碳復合材料制造商、行業專家、學術團體、具有自動化制造技術的外部技術供應商組成聯合團隊，改進材料性能和生產工藝，其先進材料團隊一支致力于開展創新性研究，通過材料創新從根本上提高碳／碳復合材料的可制造性，提高材料在制造成零部件后表面的溫度彈性。此外，巴特爾已經投資了100萬美元用于建立研發規模的高溫復合材料實驗室，專注于提高先進熱防護系統性能和可制造性。截至目前，該項工作仍在進行過程中。根據美國防部的信息，巴特爾預計將在2027年9月25日前完成MOC3HA項目合同中的全部內容。

　　

　　三、脆弱供應鏈制約碳／碳復合材料推廣應用

　　

　　盡管美國制造業正努力發展碳／碳復合材料規?；a制造能力，但進展并不盡如人意。其主要原因在于美國高超聲速裝備供應鏈脆弱性變得更加嚴重。由于美國防部需求不明確，缺乏對該技術持續關注，高超聲速裝備的制造基地規模較小，交付數量始終不高，導致所有配套產品供應商有限，僅適用于制造少量的、交付周期長的高超聲速系統。2023年5月，美國國防工業協會新興技術研究所發布題為《高超聲速供應鏈：保障通往未來的道路》的研究報告中，佐證上述觀點：目前的高超聲速武器供應鏈，包括制造基地、關鍵材料供應、測試基礎設施和勞動力，都無法支持大規模生產和部署的高超聲速武器。由于碳／碳復合材料市場缺乏穩定性，導致供應鏈基礎十分脆弱，為高超聲速裝備規?；a帶來了隱患。

　　

　　

　　

　　圖 4 美國國防工業協會新興技術研究所發布題為《高超聲速供應鏈：保障通往未來的道路》的研究報告（美國國防工業協會新興技術研究所圖片）

　　

　　美國軍方在更早時候已經發現了上述問題。2020年，為解決支持高超聲速武器生產系統小、供應鏈瑣碎分散布局導致成本奇高、效率較低的問題，美海軍位于印第安納州克蘭的海軍水面作戰中心發布 “解決方案請求”（RFS），呼吁為碳／碳復合材料等高溫材料建立垂直集成的生產設施，與相關供應商協同發展工業制造能力，減少在運輸過程中關鍵材料和部件受損，縮短制造周期并降低成本。由于適用于高超聲速裝備熱防護系統的碳／碳復合材料生產制造商非常有限，該請求并未獲得充分響應。

　　

　　

　　

　　圖 5 美海軍著手碳／碳復合材料的替代產品，以滿足高超聲速系統的規?；圃煨枨螅绹鲀忍峥怂构緢D片）

　　

　　進展不順迫使美國軍方多措并舉，一方面全力推進MOC3HA項目，另一方面著手尋找碳／碳復合材料的工業替代品。美海軍空戰中心的克雷恩部門（Crane Division）認為，碳／碳復合材料是一種小眾材料，制造低效成本高，只有非常有限的供應商可以支撐，缺乏對國防部預期需求的快速響應能力。2023年6月，在美海軍的全力支持下，由該中心啟動的高超聲速飛行器航空結構替代品聯合加速（Jahvaa）計劃，將鑒定多種用于熱防護系統的新材料。Jahvaa計劃將與美空軍研究實驗室MOC3HA計劃共同推進。Jahvaa計劃執行過程中將選擇若干碳／碳復合材料的替代品方案，隨后在一家獨立的公司進行驗證，以確保材料能夠滿足性能、成本和生產目標。替代品應提供更低的制造成本、更短的制造周期，獲得2～10倍于現有制造技術的綜合收益，并于2026年底前能夠進入低速初始生產階段。除預期成本和周期要求，替代品還至少應達到碳／碳復合材料熱性能的90%以上。

　　

　　四、結語

　　

　　高超聲速裝備是新質新域作戰環境下，迅速打破戰場平衡的殺手锏，其熱防護系統是確保裝備高可靠性的關鍵?？v觀近年來美國多款裝備的發展歷程，美國防部始終將供應鏈高可靠性和低成本可制造性作為重要考核指標。

　　

　　雖然碳／碳復合材料理論特性優異，是熱防護系統的理想用材，但其制造成熟度不高，仍然需要進一步發展可支撐規?；a的自動化制造技術，保證可靠性與一致性。美國防部正在為此不斷努力，2023年4月，美國防部宣布了多個向高超聲速系統材料的投資計劃：通用電氣公司獲得796萬美元合同，為期39個月，提高高溫和超高溫復合材料的生產能力，實現規?；暮娇掌鹘Y構外殼生產制造；碳／碳復合材料先進科技公司（C-CAT）獲得757萬美元合同，為期38個月，以建立新生產能力，擴大現有制造空間，提高碳／碳復合材料鼻錐、氣動外殼組件生產效率；諾格公司獲得943萬美元，通過采購自動化預成型制造設備和高溫制造設備，支持高超聲速和戰略系統的多個部件制造。雖然目前美軍正在尋找替代技術方案，但長遠看，發展碳／碳復合材料熱防護系統仍將是其首選方案。