高超声速（Hypersonic）是由我国著名科学家钱学森首先提出，指的是气流速度远高于声速的流动。高超声速飞行器是指以高超声速飞行技术为基础的马赫数大于5的飞行器，也就是一小时飞行里程超过3728英里的有翼或无翼飞行器，它是航空航天领域的重要发展方向^[1]。

一般来说，高超声速飞行器主要包括水平起降航天运载器、高超音速导弹、高超音速飞机和跨大气层飞行器等几种。以高机动性、远距离精确打击为主要技术特征的高超声速飞行器已成为航空航天的主要发展方向,将在未来国家安全中起着重要作用，与传统飞行器相比,高超声速飞行器具有极大的优势,可以有效地减少防御响应时间,增强突防和反防御能力,提高飞行器生存能力^[2]。

目前包括美国、俄罗斯、中国、法国、德国、日本及印度等国。其中美国是最具代表性的国家，。美国在 1995 年推出HyTech计划以及Hyper-X计划，用于研究飞行器超然冲压发动机与机身发动机一体化技术，如X-30、X-33、X-43A、X-51 等^[3]。除美国外，法国的 LEA 计划，该计划包括吸气式高超声速飞行器的设计、开发和试验；德国的高超声速尖锐前缘飞行器试验SHEFEX 计划；印度与俄罗斯合作的布拉莫斯巡航导弹飞行计划；日本的验证飞行器亚声速和跨声速飞行特性的HSFD 计划^[4]。基于复杂的国际环境、战略威胁和相关的技术限制，我国也于近年来开始了高超声速飞行器技术的研究工作。高超声速飞行器是21 世纪全球各国研究的重心，该技术拥有非常重要的军事和商业价值，对于国家的国防建设具有重大意义。

在高超声速的研究领域中，气动加热的问题在很大程度上影响着现代高速飞行器的研制，限制了飞行器的发展。在高速飞行状态下的飞行器，由于空气的粘性摩擦效应，大量的动能转变为热能，使得飞行器表面和附近的空气温度迅速升高，这种物理现象称作气动加热^[5]。如果高速飞行器飞行速度低于一定条件时，产生的热量不大，容易散发掉。当速度超过限定条件时，由气动加热产生巨大的热量来不及发散掉，于是引起飞行器表面温度急剧升高，2003 年 2 月 1 日美国的“哥伦比亚号”航天飞机的烧毁，其主要原因是脱落的泡沫绝缘材料撞击到了飞机外部 TPS 的陶瓷隔热瓦，使得隔热瓦脱落，导致飞机在再入大气层时，被高温烧毁。为了保证飞行器的安全，必须设计出隔热性能良好的结构，能够承受恶劣的飞行热环境和气动载荷。飞行热环境和气动载荷对结构的影响主要包括^[6]

a）在高温条件下，材料的强度极限和弹性模量降低，因此使结构的承载能力降低。

b）在快速加热条件下，结构中形成较大热梯度，产生的附加热应力与载荷作用力所

产生的机械应力迭加，影响结构局部或总体的承载能力。

c）在高温和热应力的作用下，结构局部或总体产生过大的变形，破坏部件的气动外形，高温又使结构刚度下降，在几种因素的综合作用下，会降低结构的固有频率，严重时容易导致危险的结构共振即所谓气动热弹性问题。

d) 飞行器上的运动机构受高温作用，产生不协调变形，会影响机械正常动作，甚至因机件卡塞而导致飞行事故。

e）飞行器工作舱内仪器设备正常的工作环境温度一般不应超过 50 ℃。当舱体外表面受到气动加热时，舱壁温度急剧升高，将会使舱内温度越限，造成元器件性能恶化甚至失效，产生危险的后果。