《高超聲速技術(shù)譯叢》序言

飛得更快、更高、更遠(yuǎn)，是人類永恒的追求。通常人們把大氣層中飛行速度達(dá)到5倍聲速以上的飛行稱為高超聲速飛行。相關(guān)的高超聲速流動(dòng)的理論研究始于20世紀(jì)40年代后期，我國(guó)的著名科學(xué)家錢學(xué)森先生和郭永懷先生都是高超聲速概念的最早倡導(dǎo)者。

早在20世紀(jì)60年代，在突破3倍聲速之前，人類就已經(jīng)開(kāi)始研究高超聲速技術(shù)。美國(guó)開(kāi)展的X-43A、X-51A、X-37B和HTV-2（Hypersonic Technology Vehicle 2）獵鷹等飛行器的飛行試驗(yàn)在高超聲速領(lǐng)域占據(jù)了領(lǐng)先地位，并積累了寶貴的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。受其鼓舞，更是由于其潛在的重要戰(zhàn)略意義和極高的應(yīng)用價(jià)值，使得高超聲速技術(shù)成為21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，得到了世界范圍的廣泛關(guān)注。

我國(guó)在高超聲速技術(shù)領(lǐng)域的研究方興未艾，相關(guān)的科研院所和高等學(xué)校取得了令人矚目的突破和積累，但與美國(guó)等航空航天發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有一定差距，亟待汲取其先進(jìn)的研究經(jīng)驗(yàn)，并借此能夠系統(tǒng)培養(yǎng)相關(guān)的科研人員�！陡叱�聲速技術(shù)譯叢》的出版適逢其時(shí)，譯叢旨在借鑒和總結(jié)美國(guó)等航空航天領(lǐng)先國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，使其理論化、科學(xué)化和系統(tǒng)化，進(jìn)而結(jié)合工程實(shí)踐，以形成具有我國(guó)特色的高超聲速技術(shù)理論與實(shí)踐相結(jié)合的知識(shí)體系。

《高超聲速技術(shù)譯叢》主要涵蓋飛行器總體技術(shù)、推進(jìn)技術(shù)、氣動(dòng)力與氣動(dòng)熱、材料與結(jié)構(gòu)熱防護(hù)、制導(dǎo)與控制、數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)等專業(yè)方向，知識(shí)領(lǐng)域覆蓋了高超聲速飛行器研發(fā)設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)。譯叢擇優(yōu)選取了美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)等國(guó)外機(jī)構(gòu)出版的高超聲速及相關(guān)技術(shù)的經(jīng)典著作，以饗讀者。

本套譯叢的出版得到了國(guó)內(nèi)眾多方面的大力支持。叢書凝結(jié)了高超聲速研究領(lǐng)域?qū)＜业闹腔酆统晒�，承�?dān)著記載與弘揚(yáng)科學(xué)成就、積累與傳播科技知識(shí)的使命，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性、完整性、實(shí)用性和技術(shù)前瞻性，既可以作為實(shí)際工作的指導(dǎo)用書，也可以作為相關(guān)專業(yè)人員的學(xué)習(xí)參考書。期望這套叢書能夠有益于高超聲速技術(shù)領(lǐng)域人才的培養(yǎng)，有益于高超聲速技術(shù)的發(fā)展，有益于高超聲速飛行器的研制工作。同時(shí)，希望能夠吸引更多的讀者來(lái)關(guān)心、支持和熱愛(ài)高超聲速技術(shù)，并投身其中做出貢獻(xiàn)。

《高超聲速技術(shù)譯叢》編輯委員會(huì)2012年5月

譯者序

2003年2月1日，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在完成為期16天的考察任務(wù)后，在返航途中解體墜毀，7名航天員全部遇難。事故的主要原因是燃料箱表面脫落的泡沫材料擊中左機(jī)翼的隔熱瓦，導(dǎo)致局部高溫而引起爆炸。可見(jiàn)，飛行器中熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它不僅反映了一個(gè)國(guó)家的結(jié)構(gòu)材料技術(shù)發(fā)展的整體水平，更是發(fā)展航空航天事業(yè)的先行保障。我國(guó)在航空航天領(lǐng)域起步較晚，更應(yīng)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，盡早打破技術(shù)壁壘，建立一套自己的核心材料體系。本書中譯本的出版，正是希望能為我國(guó)航空航天材料的設(shè)計(jì)工作提供有益的參考。

本書是中航出版?zhèn)髅接邢挢?zé)任公司（航空工業(yè)出版社）引進(jìn)美國(guó)AIAA（American Institute of Aeronautics and Astronautics，美國(guó)航空航天協(xié)會(huì)）的AIAA航空航天技術(shù)叢書之一，并納入航空工業(yè)出版社出版的高超聲速技術(shù)譯叢。原著由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的厄爾·A�鄙ｎD(Earl A�盩hornton)教授主編。本書摘選了1994年在弗吉尼亞大學(xué)舉行的第二屆熱結(jié)構(gòu)會(huì)議中的一系列論文，根本目的是讓讀者了解航空航天研究中的重點(diǎn)難題，并分別從理論和實(shí)驗(yàn)方面探討了外太空極端環(huán)境下飛行器遇到的熱結(jié)構(gòu)問(wèn)題，分析了各種結(jié)構(gòu)材料在高溫環(huán)境下的熱分布，并預(yù)測(cè)了未來(lái)航天器材料的發(fā)展趨勢(shì)。全書分為4章，第1章主要闡述低溫燃料箱面臨的各種挑戰(zhàn)，以及太空環(huán)境下材料的熱衰減行為；第2章主要展示了航天器測(cè)試中的熱結(jié)構(gòu)研究結(jié)果，分析了當(dāng)代熱結(jié)構(gòu)研發(fā)中的一系列問(wèn)題；第3章主要描述了復(fù)合材料中微觀結(jié)構(gòu)熱分布不均勻的情況，并考慮了復(fù)合材料的長(zhǎng)期使用性能；第4章主要介紹了航天器使用的一些材料的性能情況，同時(shí)結(jié)合應(yīng)用預(yù)測(cè)了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

本書由中南大學(xué)粉末冶金研究院黃啟忠教授負(fù)責(zé)翻譯，張明瑜副教授、蘇哲安副教授、楊鑫副教授、謝翔旻博士、王嘯東博士、黎烈武博士、陳蕾博士、童愷博士、楊程博士、方存謙博士、王亞峰博士、曾廣博士、邵俊杰博士、石安紅博士等參與了本書的資料整理和文字校核的工作，感謝他們對(duì)翻譯工作的幫助。同時(shí)，本書的出版得到了航空工業(yè)出版社的大力支持，在此表示真誠(chéng)的感謝。

本書主要介紹了航空航天飛行器及其熱結(jié)構(gòu)材料的相關(guān)工作，閱讀對(duì)象主要以高等院校的高年級(jí)本科、研究生以及教師為主體，也可作為相關(guān)研究院所、企業(yè)技術(shù)人員的參考資料。

由于譯者水平有限，翻譯過(guò)程中難免存在疏漏甚至謬誤，懇請(qǐng)讀者給予批評(píng)指正。

譯者2019年2月于長(zhǎng)沙

原版前言

1990年11月，第一屆熱結(jié)構(gòu)會(huì)議在弗吉尼亞州夏洛茨維爾市的弗吉尼亞大學(xué)舉行。會(huì)議挑選了一系列論文并匯集名為《高速航天器的熱結(jié)構(gòu)和材料》的論文集。這一論文集發(fā)表在AIAA的航空學(xué)進(jìn)展叢書中的卷140，其重點(diǎn)是為跨學(xué)科設(shè)計(jì)以及高速航天器的發(fā)展提供技術(shù)支持。

從1990年開(kāi)始，世界發(fā)生的巨大改變使得有關(guān)航空航天的研究迅猛發(fā)展，這一情況遍及美國(guó)、歐洲以及遠(yuǎn)東一些國(guó)家。在美國(guó)，針對(duì)國(guó)家航空航天飛機(jī)以及外層空間初步探索的研發(fā)已經(jīng)結(jié)束，而且隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，美國(guó)已經(jīng)減少了許多有關(guān)高性能軍用飛機(jī)的研究，如今美國(guó)開(kāi)始著重研究民用航空學(xué)和有關(guān)地球的航天任務(wù)。然而當(dāng)今所研究的這些任務(wù)中依舊存在一些難題，使得研究熱結(jié)構(gòu)問(wèn)題依然十分重要。這些難題包括超聲速飛機(jī)長(zhǎng)時(shí)間保持飛行狀態(tài)、推進(jìn)系統(tǒng)高溫下運(yùn)行、航天器在地球軌道上極熱極冷地短暫飛行。

1994年10月18日到20日，第二屆熱結(jié)構(gòu)會(huì)議依舊在弗吉尼亞州夏洛茨維爾市的弗吉尼亞大學(xué)舉行，在這次會(huì)議中展示了此卷論文集。此次會(huì)議的根本目的是讓參與者認(rèn)識(shí)航空航天的重點(diǎn)難題，并且展示相關(guān)的熱結(jié)構(gòu)技術(shù)。該卷論文集將會(huì)議論文分成4個(gè)部分：熱結(jié)構(gòu)的分析研究；熱結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究；高溫復(fù)合材料分析；飛機(jī)材料的性能。

第1章，熱結(jié)構(gòu)分析。顧名思義，這一章主要說(shuō)明熱結(jié)構(gòu)的分析研究，同時(shí)說(shuō)明當(dāng)前遇到的各種問(wèn)題。該部分從兩個(gè)不同學(xué)科共同分析低溫燃料箱開(kāi)始。多次使用的低溫燃料箱的開(kāi)發(fā)是設(shè)計(jì)先進(jìn)超聲速航天器所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。起初Greer用計(jì)算機(jī)針對(duì)高溫流量消耗速度極大的燃料箱中的流量進(jìn)行液體動(dòng)力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)低溫液體的流體運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)分析所預(yù)測(cè)的一樣，都是由于燃料箱箱壁的熱壓力導(dǎo)致，在與其密切相關(guān)的另一篇論文分析中，K0代表著相同燃料箱中結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)有限元，實(shí)驗(yàn)研究了燃料箱熱壓以及臨界屈服溫度對(duì)液體充滿率的影響，這兩篇論文證明了先進(jìn)熱結(jié)構(gòu)分析的多學(xué)科交叉的特性。超聲速航天器的另一個(gè)多學(xué)科交叉問(wèn)題就是熱結(jié)構(gòu)對(duì)于先進(jìn)推動(dòng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的高的聲載荷的匹配問(wèn)題，Lee在下一篇論文中就針對(duì)大幅度振動(dòng)下的熱屈服盤進(jìn)行了分析。

第1章最后兩篇論文描述的問(wèn)題是：太空情況下的材料結(jié)構(gòu)熱衰減行為。Malla和Ghoshal的論文中說(shuō)明了大型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)熱振動(dòng)減少的效應(yīng)，針對(duì)太空結(jié)構(gòu)下的溫度這一影響因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在太空環(huán)境的極度溫度梯度下，會(huì)顯現(xiàn)一大批在普通地球環(huán)境下并沒(méi)有發(fā)生的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)問(wèn)題。Kim和McManus在第1章的最后一篇論文中針對(duì)太空航天器的有效載重艙，使用一個(gè)絕緣實(shí)驗(yàn)艙,分析測(cè)定了其在熱環(huán)境下的熱效應(yīng)以及材料在準(zhǔn)定態(tài)結(jié)構(gòu)變形時(shí)的性能。由于太空輻射以及遮蔽效應(yīng)的影響，熱分析會(huì)變得極其復(fù)雜。

第2章，熱結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究。這一部分共有3篇論文，主要展示熱結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究。Blosser在第一篇論文中主要介紹了航天器熱結(jié)構(gòu)在測(cè)試時(shí)選取適當(dāng)邊界條件的困難所在，原因是結(jié)構(gòu)限制與已知熱轉(zhuǎn)移條件限制存在內(nèi)在沖突。Blosser在論文中仔細(xì)說(shuō)明了這些沖突，并且列舉了一些航天器結(jié)構(gòu)的熱結(jié)構(gòu)測(cè)試。而與其相關(guān)的由Polesky和Shideler提出的另一篇論文則考慮了相反的邊界條件：材料結(jié)構(gòu)受到熱應(yīng)力的約束，并且從數(shù)據(jù)中也可以知道實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在一個(gè)未知的彈性約束，彈性約束則是由最小二次方來(lái)確定的，他們通過(guò)撓度測(cè)量得到了其方法的適用性。這篇論文論證了方向數(shù)據(jù)整理技術(shù)對(duì)熱結(jié)構(gòu)測(cè)試的幫助。而在這一章的最后一篇論文中，F(xiàn)oster和Thornton針對(duì)航天器桁條進(jìn)行了熱致振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，文中證實(shí)了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，并且描述了其三維動(dòng)態(tài)響應(yīng)的作用。

第3章，總的來(lái)說(shuō)，第1、第2章一共包括8篇論文，主要介紹了當(dāng)代熱結(jié)構(gòu)的一系列問(wèn)題。論文分析者們通過(guò)計(jì)算機(jī)將多種相關(guān)的、非相關(guān)的熱結(jié)構(gòu)問(wèn)題結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)者們則試圖通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定來(lái)驗(yàn)證模型以及不相關(guān)數(shù)據(jù)是否與新現(xiàn)象相符。這些論文從側(cè)面證明了過(guò)去幾十年里計(jì)算機(jī)技術(shù)已大幅度進(jìn)步，更重要的是，它們證明了數(shù)據(jù)分析與實(shí)驗(yàn)之間的相互影響依舊在新的多學(xué)科交叉的航天器研究領(lǐng)域有著很大的作用。

第4章，高溫復(fù)合材料分析。這一章是整本書篇幅最長(zhǎng)的一章，一共有8篇論文，論文的數(shù)量和其多樣性也說(shuō)明了這種復(fù)合材料在高溫區(qū)間的應(yīng)用越來(lái)越重要了。本章描述的是近來(lái)新形成的一種復(fù)合材料功能梯度復(fù)合材料。此概念的提出涉及復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)，即材料內(nèi)部增強(qiáng)相的不均勻分布。Pindera等人描述了這種材料的優(yōu)勢(shì)，并且概括了最近熱機(jī)感應(yīng)理論的發(fā)展。另一種先進(jìn)復(fù)合材料是紡織基編織材料，與層壓復(fù)合材料一樣，具有非常杰出的損傷容限以及抗剝蝕能力。Glaessgen和Griffin對(duì)熱反應(yīng)編織復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維的有限元分析，主要研究了材料位移、張力以及壓力等材料參數(shù)的影響。

接下來(lái)的5篇論文探討了傳統(tǒng)層壓復(fù)合材料在先進(jìn)熱材料相關(guān)應(yīng)用方面所遇到的一些問(wèn)題。當(dāng)層壓復(fù)合材料應(yīng)用于航天器后，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了精密的計(jì)算機(jī)程序用以優(yōu)化材料設(shè)計(jì)，Noor介紹了電腦模型對(duì)于復(fù)合材料熱機(jī)械屈服和后屈服現(xiàn)象的靈敏度分析的先進(jìn)之處。在電腦分析時(shí)，程序會(huì)估算出靈敏度導(dǎo)數(shù)，這些導(dǎo)數(shù)就可以用來(lái)預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)參數(shù)的效果。研究者們可以進(jìn)行參數(shù)化實(shí)驗(yàn)來(lái)研究在改變溫度的情況下多孔復(fù)合板的變化情況。接下來(lái)的論文則是Couick針對(duì)層壓復(fù)合材料提出的，他建立激光照射的模型，并且研究在此情況下復(fù)合材料的損傷情況，使用的具體方法是夾層光線模型以及閉型分析法，使用這種方法的原因是溫度分布非常復(fù)雜。

當(dāng)聚合物基質(zhì)層壓復(fù)合材料所處環(huán)境為高溫高壓力時(shí)，要將其成功應(yīng)用于航天器結(jié)構(gòu)，我們就必須慎重考慮它的長(zhǎng)期性能。傳統(tǒng)測(cè)試長(zhǎng)期性能的方法是通過(guò)眾多的檢測(cè)，而Chamis和Singhal則介紹了另一種測(cè)試途徑通過(guò)計(jì)算機(jī)估計(jì)其可能的力學(xué)性能，并結(jié)合少許的實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)推測(cè)材料的長(zhǎng)期性能，這種方法用以估算復(fù)合材料長(zhǎng)期性能的不確定性。Wetherhold和Wang在減少層壓復(fù)合材料變形這一問(wèn)題時(shí)，面臨一個(gè)新的問(wèn)題層壓復(fù)合材料內(nèi)部存在一個(gè)溫度梯度，熱壓屈服和表面變形都會(huì)降低材料的性能，這也就是限制層壓復(fù)合材料應(yīng)用的主要問(wèn)題。所以在這篇論文中，他們采用分析技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)層壓材料，用以消除材料熱屈服現(xiàn)象或者設(shè)計(jì)出一個(gè)合適的平面熱膨脹。若在溫度多變的動(dòng)態(tài)環(huán)境下使用層壓材料，對(duì)于熱彈性波的理解就顯得非常重要了，在層壓材料系列這一章的最后一篇論文里，Hawwa和Nayfeh討論了具有超塑性變形特點(diǎn)的金屬材料鈦，依照這一特點(diǎn)，鈦有可能在人工控制制備進(jìn)程的情況下得到符合性能的材料，因此重點(diǎn)工作便是制備金屬基復(fù)合材料。

本書的最后一章：飛機(jī)材料性能。在這一章里共有3篇論文，介紹了應(yīng)用于飛機(jī)的一些材料的性能情況。在第一篇論文中Staley回顧了鋁合金在亞聲速飛機(jī)機(jī)身材料中的應(yīng)用并且預(yù)測(cè)了將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，介紹了鋁合金屬性與其性能要求，預(yù)測(cè)了材料使用時(shí)所注重的方面：將從材料的性能發(fā)展轉(zhuǎn)移到材料的成本上來(lái)。在另一篇與其相關(guān)的論文里，Williams介紹了材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的作用，他認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)在商業(yè)方面而非軍事，同時(shí)他還討論了未來(lái)一些產(chǎn)品的要求，以及材料在性能競(jìng)爭(zhēng)力和價(jià)格方面的挑戰(zhàn)。為了評(píng)估技術(shù)革新對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，Generazio介紹了能對(duì)其進(jìn)行良好分析的一種方法。這種方法也許能用以確定成本很高的實(shí)驗(yàn)研究成功的可能性，同時(shí)也能將實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)理念與累計(jì)效益之間的關(guān)系清晰地展示出來(lái)。該方法著重關(guān)注先進(jìn)復(fù)合材料以及工藝流程的改變兩個(gè)方面，因?yàn)檫@對(duì)這一系統(tǒng)的有益值影響很大。

在此，編者對(duì)于第二屆熱結(jié)構(gòu)會(huì)議（論文在該會(huì)議中介紹）技術(shù)對(duì)話的組織者的巨大貢獻(xiàn)表示十分感激。他們是弗吉尼亞大學(xué)諸位教授：John A�盬ert，Starke Jr.，Ahmed K，Carl T�盚erakovich，以及Dana M�盓lzey。同時(shí)，我們也要感謝美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)蘭利研究中心的Michael F�盋ard博士、Donald B�盤aul博士，以及萊特-帕特森空軍基地萊特實(shí)驗(yàn)室的Christopher L�盋lay先生的資助與支持。編者同樣非常感謝航空航天系列中AIAA項(xiàng)目的主編Jeanne Godette和Paul Zarchan所做的貢獻(xiàn)。最后，對(duì)于此卷書的貢獻(xiàn)者們的耐心、合作以及認(rèn)真準(zhǔn)備其論文的實(shí)驗(yàn)分析者們，編者表示由衷的感謝。