大胆创新的机体和发动机设计依赖于材料，以便产生脱离地球的升力。

在21世纪，你要从Spokane飞往Toulouse，不必乘坐大型喷气式客机，只要预定一张轻型飞行器的往返机票，这种飞行器是用脉冲波束传送的聚焦微波能冲进同温层，大约45分钟就能绕地球飞半圈。

Rensselaer工艺研究院航空航天工程副教授利克 · 迈雷鲍（Leik Myrabo）正在研制这种设备。他的工作甚至得到了空军、国家航空航天局和弹道导弹防御机构的资助。今年，迈雷鲍收到了位于新泽西州普林斯敦市的空间研究院的拨款，用来改进他的方案

直到目前为止，寻找足以使迈雷鲍的空间飞行器作高超音速飞行的能源已成为最大障碍。但是，只要研制出能够产生高达1千兆瓦能束的大功率微波发射机，迈雷鲍说，会更有把握地实现他的梦想。

在低层大气层里，微波束可以使该飞行器下面空气的体积迅速膨胀，从而可在每秒几千次小冲击波作用下推动它向上飞行；这种波束功率可以分出一小部分（10%）使这流线型极好的飞行器产生空气动力（有效的减少阻力措施）。地基微波束还可以使该飞行器减速下降。乘客始终被封闭在里面，免受能束的影响。

材料问题。然而，要使这个方案得以实施，该飞行器的大量设计都将集中在材料上，当它们飞过空间和降落到地面时，这些材料要经受住作用在它们表面的巨大压力和极高温度。迈雷鲍认为，空间时代碳纤维和金刚石薄膜有可能帮助他实现其梦想。

轻型飞行器的壳体必须是又光滑又薄，以便把阻力和蒙皮受热降到最低限度。超音速飞行时，凸起和突变会产生不希望有的激波。高超音速飞行时，空气阻力会使壳体变得非常热，需要耐热材料和某种形式主动冷却装置。此外，结构必须经受住从该设备的脉冲式爆燃发动机喷出的高压空气等离子体。飞行器当它加速飞过大气层时，还会遭受高压和低压交变气动载荷。而且，飞行器的微波天线还要承受住载荷而不明显改变其抛物线外形和焦距。

在普通的火箭推进的从地面至轨道的航天器中，大部分质量是液态化学燃料和燃料箱。然而，就轻型飞行器而言，动力是从遥远的地方以波束形式传来，并以外界空气作为工作流体。轻型飞行器全部质量中，只有10%是推进剂，因此，整个飞行器质量不多，只有300~360公斤，这便容许采纳对安装微波天线所提出的总质量少、容积大的要求，使得轻型飞行器在海平面大气中具有较好的机动性。这大大简化了地面装卸、起飞和着陆，使飞行成为可能。

迈雷鲍实际上明白轻型飞行器的所有部件均应做成抗拉结构，以便把重量降到最低限度。推进剂箱（环形承压容器）布置在轻型飞行器边缘。浅圆拱形盖子盖在该飞行器的顶部和底部，夹在环形推进剂箱中间。飞行器的微波接收天线（总共3个）把波束能量反射并聚焦到脉冲式爆燃发动机和变微波为电力所需的磁流体动力发电机。

根据迈雷鲍所做的重量计算，壳体和推进剂箱需用的材料将是固态碳形式，其碳纤维的各向强度都非常大。这种固态碳薄膜屈服强度为5.51 GPA（800千英磅/平方英寸），弹性模量827 GPA（120×10⁶英磅/平方英寸），密度1.75克/立方厘米。迈雷鲍坦然承认：他的所谓的各向同性碳至今还不存在。代用材料可能是具有类似强度和韧性的高级金刚石薄膜，他补充说。

内部气体压力使圆拱盖和推进剂箱处于受拉状态。诸如座舱和发动机系统之类部件则利用垂直隔板从增压壳体上悬挂下来。因此，新有承载结构件都是承受拉力而不是承受压力的。这些抗拉结构件的厚度貝由材料强度决定，而不考虑弯曲效应。此外，重量轻但不能承受压缩载荷的柔性材料（例如Du Pont公司凯芙拉绳或碳纤维绳）是不能使用的，最终的壳体设计应使结构重量保持在最低限度，迈雷鲍说。

圆拱盖用非常强的非金属材料制造，有可能是碳纤维或金刚石薄膜。这种材料允许射来的微波束在衰减量为最小的情况下抵达接收天线。浅圆拱盖设计由于内部压力会使应力降至最低限度。

因为微波和毫米波的波长长，迈雷鲍预计利用丝网做成飞行器的三根天线，可以节省较多重量，另一种可能是，使用类似于正在为空军火箭推进实验室和欧洲空间局研制的那种薄膜光学面。此外，这些天线将包含用“灵巧”材料制造的长度可调整的缆索网络。缆索中的拉力在飞行中会自动调节，以便把天线保持在期望的焦点处。

如果迈雷鲍的梦想切合实际而且他预计其能实现的话，那么他的轻型飞行器将开辟一个崭新的空间飞行时代。

火箭试验台。接着，有麦克唐纳 · 道格拉斯航空航天公司实验性单级运载火箭（又叫“德尔它快马”实验机或DC-X）。为弹道导弹防御机构的单级火箭技术规划研制的这种比例为1/3的运载火箭将垂直起飞并且返回降落在同一地点。

与轻型飞行器一样，材料有助于使这种方案变成现实。DC-X规划经理保罗 · 克勒维特（Paul Klevatt）说，“就这种机器而言，我们遇到了设计亚轨道高级技术验证机的问题”，“因此，我们没有去研究那种确实先进的材料。然而，下一个飞机型号，如果它得到资助的话，很肯定要把这些材料包括进去”。

克勒维特在此设想的是，依赖于金属材料作为以大约M5速度飞行的飞行器防热用的航空整流罩。其头部用碳-硅-碳化物材料制造，用钛类夹层结构做大壁板。内部箱子的候选材料为锂-铝，而石墨环氧树脂（类似于国家空天飞机规划建议的那种）可能作为氢箱的选用材料。

DC-X的液氢/液氧发动机依赖于“实践证明是可取的”材料，以便把该飞行器推进至轨道。普拉特与惠特尼公司制造了RLIOA-5发动机。据工程师经理乔奎因 · 卡斯特罗（Joaquin Castro）认为，普拉特与惠特尼公司拥有它已经研究了30多年的材料。这不是说，普拉特与惠特尼公司在未来设计不会来用较多的外国材料。

例如，卡斯特罗指出：普拉特与惠特尼公司可能着眼于用高熔点金属（钶或铌）作喷管延伸段和其它推进装置部件。他说，这二种材料都能经受住极高的温度。

喷气发动机。就像这些空间飞行器方案一样吸引人，在今日战斗机和商业飞机的背后，主要动力仍然是喷气发动机，在制造这些马力较小、耗油率较低、寿命较长、维护较方便的发动机时，又是材料起若重要作用。

例如，以新的波音777喷气式客机来说。根据国家空天飞机规划研制的Beta Zls耐热耐腐蚀钛合金将首次用在推进宽体飞机的商用发动机上。

此材料（它的研制单位科罗拉多州丹佛市钛金属公司［Timet］又称它为TimetalZls）将用来制造普拉特与惠特尼公司PW4000和罗尔斯-罗伊斯公司Trent发动机的喷嘴与火花塞，以及巨型喷气客机的短舱。据它的生产厂家说，用作短舱，标志着钛合金首次在存在着能够腐蚀这些合金的高温飞机液压流体的结构上的应用。

用这种材料做喷嘴和火花塞，能给设计师们每台发动机装置节约189英磅左右，或者每架飞机节约360英磅左右。在采用这种材料之前，在这些部位，需要使用耐腐蚀钢或镍基合金来克服因存在高达1000 F温度及磷酸盐基液压流体两者而引起的氧化问题。

就喷嘴和火花塞用途而言，该材料正在被马萨诸塞州阿特利勃洛市得克萨斯仪表公司滚压成薄片厚，被加利福尼亚州圣安娜市Astech/MCI公司用以生产普拉特与惠特尼发动机部件，被华盛顿州肯特市国外材料公司用以制造罗尔斯-罗伊斯发动机零件。该材料的其它潜在用途包括：后部整流隔热罩（保护后部整流罩不受发动机排气影响的结构）和在水中环境使用的螺栓。

综合高性能涡轮发动机技术引入。目前空军含有现代超级合金的燃气涡轮发动机，当它达到使用的温度、热冷却效率和强度时，看来已经达到其技术极限。未来的发动机技术，至少是根据综合高性能涡轮发动机技术规划的目标所提出的那些技术，将要求具有更小密度和更高导热性的高级材料。

综合高性能涡轮发动机技术规划（空军、陆军、海军、国家航空航天局和国防预研项目管理局联合研究）以使推进功率加倍作为它的目标——不增加发动机尺寸和重量。俄亥俄州赖特——佩特逊空军基地赖特实验室空军方面综合高性能涡轮发动机技术经理詹姆斯 · 佩蒂（James Petty）说，至今，这项几十亿美元规划第一阶段把喷气发动机推重比提高到大约30%的任务已经完成了80-85%。这些改进的某些方面已被用来改进F-16战斗机的F110型和F100型发动机以及F-22先进技术战斗机的普拉特与惠特尼公司F119型和通用电器公司F117型发动机。

例如，该实验室材料董事会承担了一项综合高性能涡轮发动机技术课题，着重研究镍基超级合金。董事会的冶金学家鉴别了铝化溴（NiAl）晶体方向。知道了这种情况，就可以制造出具有预定晶体生长方向能得到最佳特性组合的NiAl以此项研究为基础制造NiAl已列入计划表中，以便在综合高性能涡轮发动机技术第二阶段规划中使用。

甚至伽马铝化钛合金看来都准备好去取代燃气涡轮发动机的压气机与涡轮的众多部件之中较重的镍基超级合金。该合金特点是密度小，高温强度好，耐燃烧与氧化。用途包括静态结构（例如机匣和导流片）及高压压气机与低压涡轮的叶片。

为了说明这种情况，赖特实验室其它研究人员对铝化钛合金作了一些综合性室内试验。这引出了能够生产室温特性高温特性和都比较好的合金的新的工艺，超过了传统的锻造工艺或铸造工艺。

此项研究在航空航天方面应用的结果就是，可提供相当于普通钛合金具有较高强度、模量和温度特性的材料。研究人员说，在高达1700 F许多潜在应用项目中，TiAl合金提供的重量也比镍基超级合金轻。燃气涡轮发动机性能的改善，高超音速飞行的进展，都紧密依赖于这些密度较小的结构材料。赖特实验室已在致力于为改进先进技术战斗机的“首批”产品而铸造和锻造伽马TiAl压力机叶片。

材料起着重要作用的另一个改进项目就是实验性GEF110改进性能发动机的前涡轮隔框整流罩。整流段炽热部位出现过热剥蚀迹象，已经使用VCAP-75石墨复合材料取代它。此高温树脂（国家航空航天局高温项目副产品）是一种固化聚合物。与PMR-15复合材料相似，VCAP-75额定的工作温度为650~700 F。PMR-15辆定的工作温度只达到550 F。

在试验中，该复合材料在空气中于700 F情况下经过500小时之后，它的层间抗剪强度保留90%。受热之后，VCAP重量只损失6.8%，而PMR-15重量损失则达50%。加利福尼亚州卡尔弗市专用设备公司供应过聚酯胶片，这是用佐治亚州亚特兰大市Amoco高性能产品公司的Thornel T-650/35石墨纤维配制的。通用电器公司热压处理了整流罩各层。

陶瓷组件。陶瓷也已开始对航空航天领域产生影响——尤其在电子设备组件方面。例如，休斯飞机公司、CTS公司、雷通公司、西屋公司和TRW公司已经与加利福尼亚州圣巴巴拉市钢铁公司电子设备材料分公司研究一种陶瓷材料，因其具有高频特性，这种材料在许多应用项目中传送信号速度快得多。

至今，高频雷达组件已成为以硼酸钙或硅灰石为基础的LTCC磁带系统的主要接受器，应用项目包括商业飞机与军用飞机，以及地基雷达系统。事实上，LTCC正被用于F-15和F-22生产样机的雷达处理系统上。

在过去，塑料作为这些组件的主要材料，主要因为它们成本低，介电常数小。但是，塑料不能满足许多航空航天应用常见的高温要求。据钢铁公司高级组件经理西像 · 特维（Simon Turvey）说：“我们设备的组装密度比塑料组件可能达到的大得多。”

LTCC具有另一种特性：提高它的设计值——柔软性。特维断言：“可以把它减少到传统组装材料的1/50，”“可能应用的可能的应用范围从小到2毫米的东西直至大到墙壁大小的壁板。”

这些未来发展有可能引向何处？研究太阳帆！他们研究用大型空间镜反射的阳光施加极小但连续的力。相反，火箭提供巨大的力，不过只有很短的周期。太阳帆飞行器始终从它的太阳能获得巨大的速度，远比以任何化学火箭达到的速度大得多。

设立在加利福尼亚州柏萨迪纳市的世界空间基金会已经设计了这种空间飞行器，可以从环绕地球的轨道飞往月球。该飞行器重约140公斤（310英磅）。把它装在跨度为1.5米的圆盘里予以发射。一旦到达轨道，钒将展开成边长为55米的正方形。产生电源的设备：用杜邦公司开普敦聚酰亚胺薄膜制造的3000平方米镜子。

在航空航天世界里，这些梦想可以变成现实，而且，使它们成为可能的正是材料。

[Design News，1993年9月6日］