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一、碳／碳复合材料的背景情况
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。
虽然优异的高温力学性能使得碳／碳复合材料成为高温应用不二选择，但两大因素制约了其进一步应用——易氧化和高成本。第一代碳／碳复合材料长时间暴露在工况环境中会发生氧化，随着第二代抗氧化碳／碳复合材料的出现，这一瓶颈问题基本被克服。目前对于一般工程行业而言，碳／碳复合材料应用较少，主要原因仍然在于成本。与传统材料相比，碳／碳复合材料虽然具备更优异的性能，但经济性较差，因此仅有航空航天、高端赛车等行业能够承受高成本压力下材料所能够提供的性能收益。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。
二、高超声速武器成为碳／碳复合材料热点应用领域
图 1 图中展示的是B-52“同温层堡垒”机翼下的X-52A“乘波者”。该机由普惠公司SJY61超燃冲压发动机提供动力，最终完成加速到马赫数5飞行的试验（美空军图片）
（1）碳／碳复合材料随高超声速飞行器完成试飞验证
美国长期致力于开展高超声速飞行器的研制攻关。20世纪90年代，美空军研究实验室（AFRL）启动了一项名为“HyTECH”的超燃冲压发动机研制计划，并与普·惠公司签署合同。从HyTECH计划孕育而生的SJX61发动机，最初是为X-43C飞行器而设计，X-43后期研发中止后，改为应用于X-51中。
X-51“乘波者”是波音公司研发的一款高超声速无人试验机，其最高飞行速度可达马赫数5.1，是美国众多超燃冲压发动机试验机之一。X-51A是该机的首款试验机，设计挂载在B-52“同温层堡垒”轰炸机机翼下发射。2010年5月26日，X-51A在4分钟之内依靠固体火箭助推器加速至4.8马赫，与助推器分离后再启动冲压发动机，成功加速至5.1马赫，最后坠入太平洋，完成了首次试验。
高超声速飞行器能够以马赫数5以上速度持续飞行，采取能够发挥极端速度优势的外观设计只是其中一部分，选择能够承受高速飞行的结构材料是重中之重。高超声速飞行器在高速飞行过程中，部分结构表面温度最高可超过2700℃，必须使用长时耐温能力更强的材料。潜在可选择的材料包括碳／碳复合材料、陶瓷以及钽、铪等难熔合金。X-51A主要结构仍然使用传统航空航天级材料制造，如铝合金、钢、高温合金和钛合金等，在前缘鳍、整流罩等需要极端耐热的部件中使用了碳／碳复合材料。X-51A的成功首飞，除了验证超燃冲压发动机的推进系统的可行性外，也同时验证了碳／碳复合材料作为高超飞行器热防护系统材料的可靠性。
图 2根据2021年预算情况显示，美国防部部署的6项高超声速相关项目已经处于不同的发展阶段（美国防部图片）
随着全球高超声速飞行器研发竞争的持续升温，作为高超声速飞行技术的诞生地，美国研制进度稍显迟滞。美国防部已经将高超声速武器列为优先发展事项，在2021年的国防预算中为相关研究计划安排超过32亿美元投资。另据美国新兴技术研究所最新研究报告，2023年国防预算中，美国国会将会为高超声速飞行器相关事宜提供超过60亿美元。该报告同时还进一步指出，高温材料在高超声速飞行器中有大量应用，经过十多年的试验测试与研发，碳／碳复合材料甚至被认为是“高超声速系统中涂层、热端包覆结构材料的唯一选择”。正因如此，碳／碳复合材料在高超声速武器系统中的应用研究成为热点。
（2）美国重金资助碳／碳复合材料工程化制造
伴随着美国防部对高超声速武器系统研制和采购的强烈投资，针对碳／碳复合材料的性能开发与可制造性研究也以项目形式进行了投资部署。2019年12月，美空军研究实验室宣布投资“高超声速装备用碳／碳复合材料制造”（MOC3HA）项目，旨在快速稳定碳／碳复合材料性能水平，提升制造成熟度，整合制造创新资源，进一步加速碳／碳复合材料的生产交付速度，为高超声速装备的大规模采购奠定供应基础。
图 3 美空军研究实验室的“高超声速装备用碳／碳复合材料制造”（MOC3HA），将碳／碳复合材料实验室阶段的制造成果转向工程制造，实现推广应用
美空军研究实验室在MOC3HA项目的任务要求中表示，作为高超声速系统应用中的关键材料，由于美国高超声速武器系统仍未大规模生产，利用碳／碳复合材料生产的零部件数量不足，导致自动化制造技术发展缓慢，手工制造相关零部件仍是主流方式。基于这种现状，生产一个碳／碳复合材料零部件甚至需要数月时间，不仅低效且成本昂贵。MOC3HA项目关键目标是通过研究、设计、开发和实验等方式，实现高超声速应用领域碳／碳复合材料零部件的自动化制造，帮助国防部降低采购高超声速装备的成本，缩短交付周期。根据美空军研究实验室的投资计划，MOC3HA项目包括2D和3D碳／碳复合材料制造技术研发与自动化、近净形部件生产、自动化生产流程的适用性评估、大尺寸部件的制造与连续生产、可靠性与性能验证、部件制造成本降低与周期缩短的演示验证等六项具体任务。
美空军研究实验室共计收到5份不定期交付／不确定数量（ID/IQ）合同投标，最终美国巴特尔纪念研究所（Battelle）中标，于2020年11月赢得一份7年、总价值最高达4630万美元的合同，其中美空军研究实验室在2020财年向中标方的研究、开发、测试和评估提供630万美元首笔资金。巴特尔于2018年加强了针对高超声速飞行器外壳和结构用关键高温碳材料基本制造工艺的研发投入。通过承担MOC3HA项目，巴特尔召集了一支由碳／碳复合材料制造商、行业专家、学术团体、具有自动化制造技术的外部技术供应商组成联合团队，改进材料性能和生产工艺，其先进材料团队一支致力于开展创新性研究，通过材料创新从根本上提高碳／碳复合材料的可制造性，提高材料在制造成零部件后表面的温度弹性。此外，巴特尔已经投资了100万美元用于建立研发规模的高温复合材料实验室，专注于提高先进热防护系统性能和可制造性。截至目前，该项工作仍在进行过程中。根据美国防部的信息，巴特尔预计将在2027年9月25日前完成MOC3HA项目合同中的全部内容。
三、脆弱供应链制约碳／碳复合材料推广应用
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。
图 4 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（美国国防工业协会新兴技术研究所图片）
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。
图 5 美海军着手碳／碳复合材料的替代产品，以满足高超声速系统的规模化制造需求（美国戴内提克斯公司图片）
进展不顺迫使美国军方多措并举，一方面全力推进MOC3HA项目，另一方面着手寻找碳／碳复合材料的工业替代品。美海军空战中心的克雷恩部门（Crane Division）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。
四、结语
高超声速装备是新质新域作战环境下，迅速打破战场平衡的杀手锏，其热防护系统是确保装备高可靠性的关键。纵观近年来美国多款装备的发展历程，美国防部始终将供应链高可靠性和低成本可制造性作为重要考核指标。
虽然碳／碳复合材料理论特性优异，是热防护系统的理想用材，但其制造成熟度不高，仍然需要进一步发展可支撑规模化生产的自动化制造技术，保证可靠性与一致性。美国防部正在为此不断努力，2023年4月，美国防部宣布了多个向高超声速系统材料的投资计划：通用电气公司获得796万美元合同，为期39个月，提高高温和超高温复合材料的生产能力，实现规模化的航空器结构外壳生产制造；碳／碳复合材料先进科技公司（C-CAT）获得757万美元合同，为期38个月，以建立新生产能力，扩大现有制造空间，提高碳／碳复合材料鼻锥、气动外壳组件生产效率；诺格公司获得943万美元，通过采购自动化预成型制造设备和高温制造设备，支持高超声速和战略系统的多个部件制造。虽然目前美军正在寻找替代技术方案，但长远看，发展碳／碳复合材料热防护系统仍将是其首选方案。
