Быстрое развитие аэрокосмических аппаратов нового поколения, рассчитанных на длительные полеты и сверхвысокие скорости, приводит к сильному нагреву корпуса и серьезным механическим нагрузкам из-за вибраций, ударов и перепадов температур. Чтобы сохранить прочность конструкции, эффективность работы и безопасность экипажа и оборудования, нужны надежные теплозащитные системы. Ученые давно ищут материалы, способные выдерживать экстремальные температуры гиперзвукового полета.

Теплозащитная система (ТЗС) — это многослойная конструкция, которая предохраняет летательный аппарат от перегрева, поглощая или отражая тепловую энергию, возникающую при трении об атмосферу на высоких скоростях.

Одно из перспективных решений — композиты на основе углеродного волокна (CBCF). Они легкие, пористые, отлично держат форму при нагреве и хорошо изолируют тепло. Но у них есть серьезный недостаток — слабое рассеивание тепла вдоль плоскости материала. Это ограничивает их применение в условиях резких тепловых перепадов.

Китайские ученые под руководством Баошэна Сюя из Пекинского технологического института нашли способ улучшить CBCF-материалы. Они создали модифицированную версию композита — CBCF/SiBCN, добавив керамику на основе кремния, бора, углерода и азота. Новый материал не только сохранил теплоизоляционные свойства, но и научился эффективно отводить тепло в нужном направлении.

Результаты опубликованы в издании Journal of Advanced Ceramics.

Мы изменили структуру CBCF и добавили керамику SiBCN, чтобы тепло распределялось вдоль плоскости, но не проходило сквозь материал, — объясняет Баошэн Сюй. — Это как система каналов: тепло уходит от самых горячих точек к холодным участкам, предотвращая перегрев.

Результаты впечатляют:

• Теплопроводность вдоль плоскости — 60,9–61,5 Вт/ (м·К), а поперек — всего 0,08 Вт/ (м·К).
• Прочность на сжатие — 4,05–4,36 МПа вдоль плоскости и 1,30–1,36 МПа поперек.
• Плотность осталась низкой — 0,48–0,49 г/см³.

Инфракрасные снимки показали, что модифицированный материал равномерно распределяет тепло, тогда как обычный CBCF образует опасные перегретые участки.

Но пока рано говорить о готовности технологии. Ученым предстоит решить несколько задач:

• Повысить устойчивость к окислению при высоких температурах.
• Оптимизировать микроструктуру.
• Наладить массовое производство.

Этот материал может стать прорывом в авиакосмической отрасли. Если его удастся внедрить, он позволит:

• Увеличить срок службы гиперзвуковых аппаратов за счет снижения тепловых повреждений.
• Повысить безопасность, предотвращая локальные перегревы.
• Снизить вес теплозащиты, что критически важно для экономии топлива.

Хотя результаты выглядят многообещающе, исследование не учитывает долговременную стабильность материала в реальных условиях. Гиперзвуковые полеты сопровождаются не только нагревом, но и химическим воздействием (например, окислением). Без испытаний в продолжительных режимах сложно говорить о надежности CBCF/SiBCN.

Ранее мы опубликовали 10 инновационных трендов в аэрокосмической сфере.