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近空间的价值
近空间，一般指距地面20～100千米的空域，处于现有飞机最高飞行高度和卫星最低轨道高度之间。这一区域是飞机上不去、卫星下不来的未开发和待利用空间，对于情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等有特殊和广阔的应用前景。
所谓近空间飞行器，是指能够飞行在近空间执行特定任务的飞行器，集成了卫星和飞机的优势：效费比高、机动性好、易于更新和维护、持续工作时间长、覆盖范围广。目前近空间飞行器包括两大类：一类是低马赫数的飞行器，用于情报收集、侦察监视、通信保障，如升力式、浮力式、升浮一体混合模式等低速飞行器：一类是高马赫数的飞行器，用于远程机动作战和精确打击，包括高超声速的巡航飞行器和巡航弹，通用航空飞行器(CAV)等。近空间飞行器既是武器平台，又是进攻武器，能大大加快未来信息战、空间战中获取信息和毁伤目标的速度，实现机械化和信息化的复合发展。
在近空间众多的飞行器中，高超声速武器具有高超声速、高机动的远程精确打击能力，因此已成为世界军事热点，将引发未来战争概念和模式的革命，也将对人类生活产生极为深远的影响。上世纪50年代提出高超声速飞行概念以来，世界各军事强国都在研究高超声速武器，特别是在超燃冲压发动机和高超声速飞行器一体化设计方面。近年来，美、俄、法、澳等国相继取得重大技术突破，并确立了基本可行的技术路线美国先后提出高超声速技术计划、高超声速飞行器试验计划等，开发验证了多项关键技术。
欧洲以法国为代表，正在积极开展超燃冲压发动机的研究工作，并探索高超声速的巡航导弹和飞机及空天飞机。
俄罗斯在高超声速技术领域一直处于世界领先地位，先后实施了“彩虹”－D2、“鹰”、“鹰”－31等高超声速计划。
目前，美、法等国正在加紧进行以高超声速巡航导弹为主要应用背景的全尺寸外形动力试飞器的研究工作，高超声速巡航导弹有望在2020年前装备部队。
材料技术是关键
近空间高超声速飞行器在近空间特殊环境飞行，所涉及的科学与关键技术问题比传统的航空航天特殊复杂，包括稀薄气体动力学、特殊动力与控制等技术难题，其中最关键的是适合这种环境高超声速飞行的材料技术。
“热”是关系高超声速飞行器成败的关键。近空间中的大气密度虽然比地面小，但由于速度高带来的气动热和氧化问题十分突出。近空间高超速飞行器需要在有氧和高温环境下飞行数千秒，相比于穿越近空间区域的高速飞行器(仅几十秒)，其在氧化和高温环境下服役时间特别长(大两个数量级)。长时间的气动加热使得头部和翼缘部分的表面温度超过2 000℃，同时为保持高的升阻比和良好的气动外形。这些部位外表面不允许产生明显烧蚀。如何耐受高温并保证不烧蚀和抗氧化，对材料而言极具挑战性。
“轻”是航空航天器追求的永恒主题。近空间高超声速飞行器作为一种在特殊环境下飞行的升力体，对结构重量系数的要求更为强烈，尤其是以吸气式推进为动力的飞行器，结构重量系数必须足够小，才能保证结构重量与有效载荷的比例，保证航行距离，所以必须采取轻质的新材料或结构概念。
国外在高马赫数近空间飞行器，尤其是高超声速飞行器耐热材料／结构研究方面起步较早，取得了一定的阶段性研究成果，并成功地应用在一些高超声速飞行器的型号研制上。以下几种材料与系统受到了国内外普遍重视。
碳／碳复合材料 碳／碳复合材料由于在高温环境下具有很好的综合性能，一直以来都是各类航天飞行器最高温度区的首选材料，应用特别广泛，如美国现役的航天飞机轨道器，俄罗斯、法国和日本的航天飞机等。
但是碳／碳材料在高温环境下存在氧化问题，为满足宇航工业的军事需求，碳／碳复合材料自1958年问世后，其抗氧化保护成为广泛研究的焦点。20世纪70年代早期，首次在碳／碳复合材料结构上进行了氧化保护尝试，为航天飞机提供热保护。近年来，美、俄、法等国提出了一项重要途径，就是应用难熔碳化物SiC、HfC、TaC、NbC、ZrC等涂层或添加剂，来提高碳／碳复合材料的抗氧化能力，降低烧蚀率，使之能承受更高的燃气温度，工作时间更长。
常规抗氧化碳／碳等轻质热结构复合材料长时间使用温度为1 650℃。近年来通过多层复合涂层体系，该类复合材料可在1 800－2 000℃长时间使用。俄罗斯拥有在碳／碳复合材料表面制备多层复合涂层技术，使碳／碳复合材料能够在2 000℃有氧环境下工作1小时以上。美国为X－43等高超声速飞行器机翼前缘研制了超高温抗氧化碳／碳复合材料，目前已通过大量地面和飞行试验考核。
国外碳／碳化硅已成功用于X－38等第二代可重复超高声速飞行器的防热部件上，大面积防热温度达到1 650℃，局部温度可达1 830℃，寿命超过100小时。国外目前正在以碳／碳化硅为基础进行改性，开发2 000℃以上防热结构一体化材料。
非烧蚀型超高温陶瓷基复合材料为保持高的升阻比和良好的气动外形，飞行器的外表面不允许产生明显烧蚀，否则将直接影响到飞行距离和打击精度。碳／碳材料由于氧化和烧蚀问题，无法保证飞行器的精确外形，因此，非烧蚀类的耐高温材料已成为支撑新一代高超声速飞行器发展的核心技术之一。
1997年，美国洛马公司启动了一项先进材料技术开发计划，利用陶瓷材料制造固体火箭喷管的喉衬，他们研制了一种全新的、几乎不烧蚀的、纯模压的TaC基陶瓷火箭喷管喉衬材料，其烧蚀率不到0.025毫米／秒，比碳／碳材料性能好20倍，制造成本和周期预计则低50％以上。美国开展的高重复使用的航天运输系统计划中，有翼火箭飞机在最高加热区域——机头锥和机翼前缘采用了硼化铪(HfB2)基热防护材料，使用温度将近2 482℃。
由于高熔点硼化物、碳化物及氧化物组成的超高温陶瓷材料在2 000℃以上的抗氧化性好，因此引起了国际军事和宇航上的高度关注和推动 美国实施了SHARP计划，重点研究硼化物、碳化物复合材料，研制出的复合陶瓷作锥前缘材料，最高使用温度达2 015.9℃，还在碳／碳复合材料与超高温陶瓷材料之间做了对比烧蚀试验：在相同情况下，超高温陶瓷烧蚀量为0.01克，而增强碳／碳材料烧蚀量1.31克，两者相差131倍。在美国SHARP计划中，发射了3枚“民兵”Ⅲ导弹，对超高温陶瓷材料尖锐形鼻锥性能进行了实验，在23分钟的亚轨道飞行中，弹头承受了2 760℃的高温，回收完整无缺，证明该项技术大有发展前途。
金属热防护材料 金属热防护系统具有高韧性、良好的耐冲击性、高重复使 用率及低成本等优点，在目前高超声速飞行器大面积防热方面极具发展潜力。
总体而言，金属热防护系统比碳／碳及陶瓷体系的使用温度要低一些，系统对外面板材料的要求依赖于最大表面温度，例如：在低于316℃的温度区间，高级铝合金和铝基复合材料密度低而成为最具前景的材料：在低于600℃的环境温度下，可以选用钛合金和钛基复合材料，钛合金的使用温度已达600℃；在760～816℃的温度条件下，外面板材料可以用γ－TiAl，其使用温度上限可以达到850℃；超过700℃的使用环境可以选用高温合金，使用温度已超过1 000℃；氧化物弥散增强高温合金的使用温度更高，达1200℃。
轻质耐高温隔热／防热材料 从保护飞行器角度来讲，要求材料一方面能耐高温，一方面具有较好的隔热效果。特别是一些高马赫数的巡航飞行器，航时长达2小时，表面气动热流虽然不是很高，但总加热量很大，无法单纯依靠热化学吸热达到热防护目的，因此隔热成为热防护中最关键的问题之一。隔热材料分为柔性隔热毡和刚性陶瓷瓦两大类。
柔性陶瓷防护层是一种棉被式防热结构，特性是安装和制造简单，能制成较大尺寸直接用胶粘接到蒙皮上，具有质量轻、耐热震性好及价格便宜等优点，主要用于承载不大的较低温区。目前美国已经发展到第三代新型隔热毡材料。组成材料包括氧化硅、氧化铝、硼硅酸铝等。近年来柔性隔热材料的使用温度不断提高，从500℃以下提高到了700℃以上，最高能在1 300～2 000℃之间。在美国X－33中，飞行器表面就用了柔性表面隔热材料防护。
刚性陶瓷瓦又分为高温和低温两类，分别用于第二温区(650～1 260℃)和第三温区(370～650℃)，主要包括机身和机翼的下表面前部、垂直尾翼前缘、机身襟翼等处。它是用低密度、高纯的氧化硅(siO2＞99.8％)纤维制造的，制备过程中将含氧化硅胶体和水的混合物浇注成块体，然后经高温烧结而成多孔材料，它可切割成所需的形状，但由于是多孔材料，存在脆性大、易吸水、强度低的缺点。
新材料是一种高技术，同时又是诸多高新技术的物质基础与先导。从古至今，人类社会的发展史一直伴随着高新材料的发展史，新装备、新技术的诞生与发展无不与新材料息息相关。近空间各类高超声速飞行器的研制、应用与发展也不例外，同样需要以新材科技术作为基础与先导。在近空间所用新材料的研制过程中，“轻”是基础，“热”是关键，“长服役时间”与“抗氧化”是难点。有木可做弓，有铁则铸剑，一代新材料，一代新装备!
近空间，一般指距地面20～100千米的空域，处于现有飞机最高飞行高度和卫星最低轨道高度之间。这一区域是飞机上不去、卫星下不来的未开发和待利用空间，对于情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等有特殊和广阔的应用前景。
所谓近空间飞行器，是指能够飞行在近空间执行特定任务的飞行器，集成了卫星和飞机的优势：效费比高、机动性好、易于更新和维护、持续工作时间长、覆盖范围广。目前近空间飞行器包括两大类：一类是低马赫数的飞行器，用于情报收集、侦察监视、通信保障，如升力式、浮力式、升浮一体混合模式等低速飞行器：一类是高马赫数的飞行器，用于远程机动作战和精确打击，包括高超声速的巡航飞行器和巡航弹，通用航空飞行器(CAV)等。近空间飞行器既是武器平台，又是进攻武器，能大大加快未来信息战、空间战中获取信息和毁伤目标的速度，实现机械化和信息化的复合发展。
在近空间众多的飞行器中，高超声速武器具有高超声速、高机动的远程精确打击能力，因此已成为世界军事热点，将引发未来战争概念和模式的革命，也将对人类生活产生极为深远的影响。上世纪50年代提出高超声速飞行概念以来，世界各军事强国都在研究高超声速武器，特别是在超燃冲压发动机和高超声速飞行器一体化设计方面。近年来，美、俄、法、澳等国相继取得重大技术突破，并确立了基本可行的技术路线美国先后提出高超声速技术计划、高超声速飞行器试验计划等，开发验证了多项关键技术。
欧洲以法国为代表，正在积极开展超燃冲压发动机的研究工作，并探索高超声速的巡航导弹和飞机及空天飞机。
俄罗斯在高超声速技术领域一直处于世界领先地位，先后实施了“彩虹”－D2、“鹰”、“鹰”－31等高超声速计划。
目前，美、法等国正在加紧进行以高超声速巡航导弹为主要应用背景的全尺寸外形动力试飞器的研究工作，高超声速巡航导弹有望在2020年前装备部队。
材料技术是关键
近空间高超声速飞行器在近空间特殊环境飞行，所涉及的科学与关键技术问题比传统的航空航天特殊复杂，包括稀薄气体动力学、特殊动力与控制等技术难题，其中最关键的是适合这种环境高超声速飞行的材料技术。
“热”是关系高超声速飞行器成败的关键。近空间中的大气密度虽然比地面小，但由于速度高带来的气动热和氧化问题十分突出。近空间高超速飞行器需要在有氧和高温环境下飞行数千秒，相比于穿越近空间区域的高速飞行器(仅几十秒)，其在氧化和高温环境下服役时间特别长(大两个数量级)。长时间的气动加热使得头部和翼缘部分的表面温度超过2 000℃，同时为保持高的升阻比和良好的气动外形。这些部位外表面不允许产生明显烧蚀。如何耐受高温并保证不烧蚀和抗氧化，对材料而言极具挑战性。
“轻”是航空航天器追求的永恒主题。近空间高超声速飞行器作为一种在特殊环境下飞行的升力体，对结构重量系数的要求更为强烈，尤其是以吸气式推进为动力的飞行器，结构重量系数必须足够小，才能保证结构重量与有效载荷的比例，保证航行距离，所以必须采取轻质的新材料或结构概念。
国外在高马赫数近空间飞行器，尤其是高超声速飞行器耐热材料／结构研究方面起步较早，取得了一定的阶段性研究成果，并成功地应用在一些高超声速飞行器的型号研制上。以下几种材料与系统受到了国内外普遍重视。
碳／碳复合材料 碳／碳复合材料由于在高温环境下具有很好的综合性能，一直以来都是各类航天飞行器最高温度区的首选材料，应用特别广泛，如美国现役的航天飞机轨道器，俄罗斯、法国和日本的航天飞机等。
但是碳／碳材料在高温环境下存在氧化问题，为满足宇航工业的军事需求，碳／碳复合材料自1958年问世后，其抗氧化保护成为广泛研究的焦点。20世纪70年代早期，首次在碳／碳复合材料结构上进行了氧化保护尝试，为航天飞机提供热保护。近年来，美、俄、法等国提出了一项重要途径，就是应用难熔碳化物SiC、HfC、TaC、NbC、ZrC等涂层或添加剂，来提高碳／碳复合材料的抗氧化能力，降低烧蚀率，使之能承受更高的燃气温度，工作时间更长。
常规抗氧化碳／碳等轻质热结构复合材料长时间使用温度为1 650℃。近年来通过多层复合涂层体系，该类复合材料可在1 800－2 000℃长时间使用。俄罗斯拥有在碳／碳复合材料表面制备多层复合涂层技术，使碳／碳复合材料能够在2 000℃有氧环境下工作1小时以上。美国为X－43等高超声速飞行器机翼前缘研制了超高温抗氧化碳／碳复合材料，目前已通过大量地面和飞行试验考核。
国外碳／碳化硅已成功用于X－38等第二代可重复超高声速飞行器的防热部件上，大面积防热温度达到1 650℃，局部温度可达1 830℃，寿命超过100小时。国外目前正在以碳／碳化硅为基础进行改性，开发2 000℃以上防热结构一体化材料。
非烧蚀型超高温陶瓷基复合材料为保持高的升阻比和良好的气动外形，飞行器的外表面不允许产生明显烧蚀，否则将直接影响到飞行距离和打击精度。碳／碳材料由于氧化和烧蚀问题，无法保证飞行器的精确外形，因此，非烧蚀类的耐高温材料已成为支撑新一代高超声速飞行器发展的核心技术之一。
1997年，美国洛马公司启动了一项先进材料技术开发计划，利用陶瓷材料制造固体火箭喷管的喉衬，他们研制了一种全新的、几乎不烧蚀的、纯模压的TaC基陶瓷火箭喷管喉衬材料，其烧蚀率不到0.025毫米／秒，比碳／碳材料性能好20倍，制造成本和周期预计则低50％以上。美国开展的高重复使用的航天运输系统计划中，有翼火箭飞机在最高加热区域——机头锥和机翼前缘采用了硼化铪(HfB2)基热防护材料，使用温度将近2 482℃。
由于高熔点硼化物、碳化物及氧化物组成的超高温陶瓷材料在2 000℃以上的抗氧化性好，因此引起了国际军事和宇航上的高度关注和推动 美国实施了SHARP计划，重点研究硼化物、碳化物复合材料，研制出的复合陶瓷作锥前缘材料，最高使用温度达2 015.9℃，还在碳／碳复合材料与超高温陶瓷材料之间做了对比烧蚀试验：在相同情况下，超高温陶瓷烧蚀量为0.01克，而增强碳／碳材料烧蚀量1.31克，两者相差131倍。在美国SHARP计划中，发射了3枚“民兵”Ⅲ导弹，对超高温陶瓷材料尖锐形鼻锥性能进行了实验，在23分钟的亚轨道飞行中，弹头承受了2 760℃的高温，回收完整无缺，证明该项技术大有发展前途。
金属热防护材料 金属热防护系统具有高韧性、良好的耐冲击性、高重复使 用率及低成本等优点，在目前高超声速飞行器大面积防热方面极具发展潜力。
总体而言，金属热防护系统比碳／碳及陶瓷体系的使用温度要低一些，系统对外面板材料的要求依赖于最大表面温度，例如：在低于316℃的温度区间，高级铝合金和铝基复合材料密度低而成为最具前景的材料：在低于600℃的环境温度下，可以选用钛合金和钛基复合材料，钛合金的使用温度已达600℃；在760～816℃的温度条件下，外面板材料可以用γ－TiAl，其使用温度上限可以达到850℃；超过700℃的使用环境可以选用高温合金，使用温度已超过1 000℃；氧化物弥散增强高温合金的使用温度更高，达1200℃。
轻质耐高温隔热／防热材料 从保护飞行器角度来讲，要求材料一方面能耐高温，一方面具有较好的隔热效果。特别是一些高马赫数的巡航飞行器，航时长达2小时，表面气动热流虽然不是很高，但总加热量很大，无法单纯依靠热化学吸热达到热防护目的，因此隔热成为热防护中最关键的问题之一。隔热材料分为柔性隔热毡和刚性陶瓷瓦两大类。
柔性陶瓷防护层是一种棉被式防热结构，特性是安装和制造简单，能制成较大尺寸直接用胶粘接到蒙皮上，具有质量轻、耐热震性好及价格便宜等优点，主要用于承载不大的较低温区。目前美国已经发展到第三代新型隔热毡材料。组成材料包括氧化硅、氧化铝、硼硅酸铝等。近年来柔性隔热材料的使用温度不断提高，从500℃以下提高到了700℃以上，最高能在1 300～2 000℃之间。在美国X－33中，飞行器表面就用了柔性表面隔热材料防护。
刚性陶瓷瓦又分为高温和低温两类，分别用于第二温区(650～1 260℃)和第三温区(370～650℃)，主要包括机身和机翼的下表面前部、垂直尾翼前缘、机身襟翼等处。它是用低密度、高纯的氧化硅(siO2＞99.8％)纤维制造的，制备过程中将含氧化硅胶体和水的混合物浇注成块体，然后经高温烧结而成多孔材料，它可切割成所需的形状，但由于是多孔材料，存在脆性大、易吸水、强度低的缺点。
新材料是一种高技术，同时又是诸多高新技术的物质基础与先导。从古至今，人类社会的发展史一直伴随着高新材料的发展史，新装备、新技术的诞生与发展无不与新材料息息相关。近空间各类高超声速飞行器的研制、应用与发展也不例外，同样需要以新材科技术作为基础与先导。在近空间所用新材料的研制过程中，“轻”是基础，“热”是关键，“长服役时间”与“抗氧化”是难点。有木可做弓，有铁则铸剑，一代新材料，一代新装备!