美军高超声速武器生产又遇挑战
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陈济桁
美国《航空周刊》近日报道称，美海军将推进“高超声速飞行器航空结构替代品联合加速”（Jahvaa）的计划，旨在为高超声速飞行器的热防护系统开发碳-碳复合材料的替代产品，其目标是大幅降低生产成本、加快工程制造速度，同时确保能够提供与碳-碳复合材料相似的性能。这意味着美国围绕碳-碳复合材料开展其在高超声速装备中的应用研究工作陷入僵局，正寻求多种技术方案，规避研发风险。
碳-碳复合材料是增强体纤维和基体材料均为纯碳元素的一类特殊材料。作为一种工程材料，碳-碳复合材料的本质是一种陶瓷材料，却表现出脆性到假塑性行为，被认为是碳纤维编织网状结构的复合材料。
制造和应用这种材料的目的是将碳纤维的高比强度和刚度优势，与碳基体的出色耐火性能结合，形成理想的耐高温结构材料。
与钢制制动器相比，基于碳-碳复合材料制造的制动器热容量更高，重量减轻40%，使用寿命增加1倍，因此自1974年首次在飞机制动器中应用以来，碳-碳复合材料已成功代替传统钢材，成为飞机制动器的首选材料。目前全球约70%碳-碳复合材料产量用于制造飞机制动器盘件。除此之外，基于优异的高温力学性能，近年来各国围绕碳-碳复合材料在耐火结构材料、涡喷发动机部件、导弹鼻锥、火箭前缘、喷嘴、隔热罩、高超声速飞行器热端部件等潜在应用部位，积极探索开展了研究工作。
尽管美国制造业正努力发展碳-碳复合材料规模化生产制造能力，但进展并不尽如人意。其主要原因在于美国高超声速装备供应链脆弱性变得更加严重。由于美国防部需求不明确，缺乏对该技术持续关注，高超声速装备的制造基地规模较小，交付数量始终不高，导致所有配套产品供应商有限，仅适用于制造少量的、交付周期长的高超声速系统。2023年5月，美国国防工业协会新兴技术研究所发布题为《高超声速供应链：保障通往未来的道路》的研究报告中，佐证上述观点：目前的高超声速武器供应链，包括制造基地、关键材料供应、测试基础设施和劳动力，都无法支持大规模生产和部署的高超声速武器。由于碳-碳复合材料市场缺乏稳定性，导致供应链基础十分脆弱，为高超声速装备规模化生产带来了隐患。
美国军方在更早时候已经发现了上述问题。2020年，为解决支持高超声速武器生产系统小、供应链琐碎分散布局导致成本奇高、效率较低的问题，美海军位于印第安纳州克兰的海军水面作战中心发布“解决方案请求”（RFS），呼吁为碳-碳复合材料等高温材料建立垂直集成的生产设施，与相关供应商协同发展工业制造能力，减少在运输过程中关键材料和部件受损，缩短制造周期并降低成本。由于适用于高超声速装备热防护系统的碳-碳复合材料生产制造商非常有限，该请求并未获得充分响应。
美海军空战中心的克雷恩部门认为，碳-碳复合材料是一种小众材料，制造低效成本高，只有非常有限的供应商可以支撑，缺乏对国防部预期需求的快速响应能力。2023年6月，在美海军的全力支持下，由该中心启动的“高超声速飞行器航空结构替代品联合加速”（Jahvaa）计划，将鉴定多种用于热防护系统的新材料。Jahvaa计划将与美空军研究实验室MOC3HA计划共同推进。Jahvaa计划执行过程中将选择若干碳-碳复合材料的替代品方案，随后在一家独立的公司进行验证，以确保材料能够满足性能、成本和生产目标。替代品应提供更低的制造成本、更短的制造周期，获得2～10倍于现有制造技术的综合收益，并于2026年底前能够进入低速初始生产阶段。除预期成本和周期要求，替代品还至少应达到碳-碳复合材料热性能的90%以上。
（据《中国航空报》）
