热防护材料气固界面传热传质问题研究进展综述

赵瑾，孙向春，张俊，唐志共，文东升,*

1. 北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191 2. 中国空气动力研究与发展中心，绵阳 621000

高超声速技术已成为空天领域新的颠覆性技术制高点，被全球视为“博弈规则改变者(Game-Changer)”。高超声速飞行器在大气层里以达到或超过5倍声速飞行时，强烈的激波压缩和黏性摩擦阻力会导致大量动能转变成热能，使周围的空气被加热到数千甚至上万度的高温。随飞行速度的进一步提高，要想成功实现高超声速远程机动长时安全飞行，最大的挑战之一即为如何克服飞行过程中产生极端热载荷时面临的“新热障”问题[1-3]。

作为高超声速飞行器的“防护服”，热防护系统是实现和保证高速飞行的基石，其技术领域的发展已成为制约高超声速领域发展的瓶颈和世界难题。若热防护系统出现“欠防护”问题，会导致热防护失效并造成灾难性后果；但过于保守的“过防护”设计不仅会增加热防护系统冗余，且不符合高超声速飞行器为提高结构效率而提出的日益苛刻的轻质化“减重”要求。因此如何兼顾热防护系统的可靠性和科学性，在很大程度上依赖于对高超声速飞行器表面复杂气动热载荷的精确预测[4-7]。

相较于低速飞行而言，高超声速飞行时表面气动热载荷更为复杂，给热防护系统的精细化设计带来了极大困难。特别是随翼型从传统的“无升力、轴对称外形”向“面对称、大升阻比外形”转变，高超声速飞行器须长时间服役于“高焓化学非平衡流”区域，导致在热防护设计中出现了大量热-力-化多效应耦合传热传质和多尺度非平衡差异等问题，直接影响热防护设计的可靠性[8-11]。如图1[10-12]所示，高温来流会产生真实气体效应，在气固界面处与热防护材料发生复杂的高温化学非均相反应和传热传质的非线性耦合现象。热防护材料承受的气动热载荷不仅包括高温气体辐射加热、对流换热和热传导，还包括非平衡气体的化学离解焓、与热防护材料相互作用时的催化反应热及在热氧化/烧蚀/侵蚀等非均相过程中产生的其他化学反应热。与此同时，防热材料内部也可能由于高温产生热解气体，并通过多孔骨架溢出进入热边界层内，与高温气体进一步发生反应，同时伴随着材料本身的融化、蒸发、升华等相变现象，在不同时空尺度上产生化学反应与传热传质过程间的非线性耦合现象。

可见高超声速热防护系统设计过程涉及的高温服役环境与热防护材料气固界面间相互作用过程极为复杂，不仅具有多相、多场、多尺度、多维度、多机制、多效应耦合的特点，还包含了材料、力学、物理、化学等多学科深度交叉融合特性，亟需围绕极端热环境下材料气固界面相互作用特性这一关键研究对象及复杂基础问题进一步打破学科界限，从高温材料学、高温固体力学、高温气体动力学、材料表面物理化学、传热传质学、计算科学等多角度出发，开展交叉创新的多范式研究，形成合力以实现有效突破[13-19]。

1 气固界面传热传质问题

1.1 烧蚀型热防护材料

烧蚀材料按烧蚀机理可粗略分为升华型、熔化型和碳化型。对于以难熔金属材料、钨渗铜材料等传统材料及碳/碳复合材料等新型材料为代表的烧蚀型防热系统，由于固相材料表面的熔融、升华、氧/氮化、热解烧蚀等物理化学过程，气固界面处出现强烈的气固非均相反应及传热传质耦合现象，如图2[20-21]所示。在烧蚀过程中产生大量热解气体并形成固相碳化层，热解气体在压力梯度的推动下渗透碳化层，在表面产生质量引射。引射气体进入换热边界层，不仅引起换热边界层厚度增加，产生热阻塞效应，还会与流场中的高温空气组分发生气相均相反应，进一步影响周围流场和温度场的分布。诸多研究表明，由于热解烧蚀引起的气体引射效应会极大地改变近壁面流动和防热效果，其机理的有效表征是热防护系统设计亟须解决的关键问题之一[11-21]。

1.2 非烧蚀型热防护材料

对于以高温陶瓷、碳/陶瓷基等复合材料为代表的非烧蚀/微烧蚀型热防护系统，气固界面间的复杂性主要体现在防热材料的表面催化及氧化/微烧蚀效应。材料表面催化效应是由高温离解原子在界面复合为分子而产生的，为典型的放热反应，会显著增加飞行器表面承受的气动热载荷，如图3[3-6,10,22]所示。美国、欧洲及日本等飞行试验结果表明催化反应热最高可占总气动热载荷的50%以上[3-6]。如何准确描述表面催化效应是气动热预测的关键之一。同时，氧化放热反应不仅仅增加了防热材料的热负荷，也会损害其机械性能，如何依据表面被动及主动氧化机理实现气固界面的主动控制也是非烧蚀/微烧蚀(可重复使用)类热防护材料的主要关注点之一。

1.3 气固界面的动态演化及竞争机制

无论是烧蚀型防热材料还是非烧蚀型防热材料，在其服役环境下都会经受超高温、大热流密度等苛刻的气动环境。非烧蚀型防热材料并非绝对的“非烧蚀”，而是在表面氧分压和温度满足某种条件后其表面生成凝聚相氧化物，致密的氧化层降低了氧原子向材料内部的扩散速率及氧化速率，从而实现非烧蚀功能；现有非烧蚀型防热材料在表面温度持续升高时，氧化层将随环境中温度、压力及氧化剂的改变而发生成分和结构的变化，可能出现由“非烧蚀”向“烧蚀”的突变，甚至出现破裂、剥落，这将为高超声速飞行器带来灾难性后果[16-18]。

因此，防热材料与极端服役气动热环境之间的耦合作用归根结底即为气固界面间复杂的热-力-化多场耦合传热传质效应，其耦合本构、试验与表征方法已成为目前国内外极为重视的技术痛点和重点支持的研究热点。

2 国外研究进展简述及启示

飞行试验、风洞试验与数值模拟被视为支持高超声速发展的“三驾马车”，同时也是有效表征极端服役气动热环境与防热材料间气固界面传热传质问题的重要研究手段。与此同时，在当代数字化转型浪潮下，基于大数据时代的人工智能为以试验科学、理论建模及模拟计算方法构筑的三座经典科学大厦带来的价值正越来越多地凸显。因此，以试验测试、理论计算、数值模拟及人工智能应用这4种典型研究范式(Paradigm)为切入点，综述国外在表征高温服役气体环境/热防护材料气固界面热质耦合特性方面的先进研究手段及最新研究进展。

2.1 试验测试

可有效再现极端服役环境的地面风洞试验是获得材料表面热质耦合及气固非均相反应特性的重要手段之一。自20世纪80年代起，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)约翰逊空间中心、阿姆斯研究中心等利用电弧风洞开展了热防护材料表面热-力-化耦合特性的研究[23]，如图4[23]所示；随后俄罗斯、西欧和日本等国也利用各自的地面风洞模拟设备发展了热防护材料表面催化、氧化、热解、烧蚀等气固非均相反应特性地面评估试验和测试技术，构建了部分典型热防护材料非均相反应模型并研究了其对表面热流的影响[24]。按风洞试验热环境要求，地面模拟设备主要包括等离子电弧风洞、燃气加热风洞、高频感应加热风洞等，为气固界面相互作用模型的发展提供了重要数据支撑。但地面风洞试验需较大的成本投入、流程结构复杂、时间周期较长并需配专业人员操作，且存在各装置评价表征方法不一的问题，得到的材料界面热质耦合响应结果及表面热流测试结果有时相差较大。

针对风洞地面试验测试的不足，俄罗斯科学院力学研究所[25]、中央机械制造研究院[26]、德国斯图加特大学[27]和日本国家航空航天试验室[28-29]、比利时冯·卡门流体力学研究所[30-31]等陆续发展了高时/空分辨的、以等离子热流为发热源的实验室评价与测试方法，如图5[31]所示，成功实现了针对典型材料表/界面演化特性的分辨及基于原子损耗浓度的非均相反应速率评价方法，可靠性和稳定性均相对较好。研究发现高焓非平衡环境下防热材料气固界面的演化不仅受界面高焓气体浓度影响很大，且材料表面组分、表面存在的微纳孔洞结构及粗糙度等均会对材料表面催化特性、氧化及热解烧蚀等非均相化学反应、蒸发/升华等界面演化现象产生很大影响[25-30]。典型的试验手段目前尚难以准确捕捉诸多因素对边界层带来的影响，因此发展可靠的理论计算及数值模拟表征方法迫在眉睫。

2.2 理论计算

以烧蚀型热防护材料为代表的材料气固界面热响应理论计算较为复杂，从烧蚀机理的角度看，热防护材料的烧蚀可分为两种：表面烧蚀和体积烧蚀[32-34]；表面烧蚀常通过线烧蚀速率表征，而体积烧蚀常用质量烧蚀率表示，并主要由基体层、热解层、炭化层及烧蚀反应层组成，如图6[35]所示。

初期的理论计算模型将烧蚀材料简化为一层，并将材料的物理性质按温度进行分区，从而将烧蚀问题简化为传热问题，导致对热响应的预报精度很差。后期发展的计算模型中把热防护材料通过热解面划分成碳化层和原始材料层两个区域，如图6[35]所示，在一定程度上改善了早期模型的计算精度，但热解层模型未基于热解动力学模型分析材料的热解过程，只是假设热解程度和材料温度存在一种线性关系，使用Arrhenius型参数对异相反应进行建模，并将材料特性视为温度的函数简化计算。至今很多用于描述异相催化/表面氧化/热解烧蚀反应的研究方法仍然依赖于动力学或现象学模型，这些模型可以更快、成本更低地在CFD(Computational Fluid Dynamics)计算程序中实现表面热流的计算。

美国NASA、德国空间系统研究中心(Institut für Raumfahrtsysteme，IRS)等各国研究团队通过对LAURA与DPLR程序CFD代码进行修正[36-41]，试图为CFD仿真提供更加准确的有限反应速率模型边界条件，其中气固非均相反应模型一般通过求解壁面附近质量守恒方程的方法构建，现有的有限化学反应速率常数往往仍通过Arrhenius公式对试验数据进行线性拟合获得，如图7[36-42]所示。但过度简化的经验模型在精度和可靠性方面仍有缺陷，对气动热响应的准确预报亟须考虑气固界面相互作用时的多尺度传热传质过程，通过对其物理化学相互作用进行本构表征以正确反映其对气固边界层的影响。

2.3 数值模拟

针对宏观尺度的高超声速气动力/热模拟计算方法，目前国际领先的程序包括NASA Langley研究中心开发的LAURA程序、Ames研究中心开发的DPLR程序、明尼苏达大学开发的US3R程序及美国AeroSoft公司开发的GASP程序等[35-42]，如图8[35]所示。这些程序中，高焓热环境与防热材料间界面气固非均相反应常以边界条件的形式给出，缺乏对材料界面气固非均相反应特性与气动热耦合作用的精确模拟是制约其发展的关键技术问题之一。

针对经验模型表征精度和可靠性低的问题，日本国家宇航试验室、美国马里兰大学、德国斯图加特大学等研究团队尝试通过从化学反应表面动力学出发，对高焓非平衡环境下材料气固界面非均相反应进行建模，获取表面化学反应系数参量化表达式并应用于CFD气动热模拟计算验证[43-45]，但收效甚微。其原因主要在于这些有限化学反应速率模型均是基于宏观连续性假设建立的，而实际飞行服役环境中材料气固界面尺度可能导致连续性假设失效。在高努森数Kn下，微小的平衡偏差就会导致连续介质方法失效，致使宏观性质出现较大波动。因此在微观尺度对异相反应路径进行更精细的研究，从而给出更精准的壁面边界条件十分必要，也逐渐成为探索、开发和优化防热材料的新有力手段。目前基于量子力学(Quantum Mechanics，QM)计算和分子动力学(Molecular Dynamics，MD)的模拟方法在高焓非平衡环境/防热材料气固非均相反应模型的研究方面得到了有效应用[46-48]。基于QM方法能研究原子及分子结构的动力学过程，可准确预测化学反应的过渡态、反应能垒、反应产物等，在不提供前提假设的条件下预测反应路径、理解未知反应机理，在确定基本反应速率方面具有一定优势。但由于该方法计算成本过大的本质属性，其在非平衡态多分子系统模型的完备性和模拟结果的统计性方面有较大局限。传统MD方法虽然能解决QM计算成本大的问题，但难以应用于包含化学反应的模拟研究。基于传统MD方法，结合日趋成熟的ReaxFF反应力场，反应分子动力学(Reactive Molecular Dynamics，RMD)方法有效避免了QM方法效率低和MD方法无法研究化学键断裂的局限性，能在更大尺度上提供详细和准确的反应过程信息，在研究材料热、压缩、冲击、热解、燃烧和爆轰等物理化学领域得到了很好的应用[48]，也逐渐成为揭示气固相互作用时发生的复杂非线性物理化学特性及界面演化行为机制的新途径，如图9[48]所示。

关于采用RMD方法研究高超声速飞行器材料界面演化微观特性，美国NASA、宾夕法尼亚州立大学和日本等研究学者已开展了一些基础研究工作，主要模拟了高温条件下氧原子在SiO2表面的催化反应及在Langmuir Hinshelwood(L-H)和Eley-Ridel(E-R)机制下的催化复合机理；此外，基于RMD模拟方法的计算结果还被尝试应用于高超声速气体与壁面相互作用发生化学反应边界条件的构建[46-48]。考虑到界面各种化学反应的普遍性，基于RMD方法的微观尺度模拟计算有望成为可精确表征气固界面热质耦合模型及评价实际气固非均相反应特性的桥梁技术。

以美国哈佛大学[49]、德国慕尼黑工业大学[50]、日本京都大学[51]、英国帝国理工大学[52]、爱丁堡大学[53]为代表的研究团队采用区域分解法自主开发并实现了CFD/MD耦合计算方法以兼顾计算精度及计算效率的协同提升，如图10[51-52]所示。但如何将基于RMD模拟得到的气固界面相互作用规律和关键控制因素的研究结果转换为可精确表征适用于气动热环境、表面热响应等诸多计算、设计及工程应用的输入参数边界模型，并实现通过微观尺度的数值模拟提高宏观气动热环境的多尺度精准预报，尚处于探索阶段。这是由于目前基于RMD的研究工作还停留在初期阶段，主要局限于揭示部分材料在特殊热环境条件下表面反应的微观机理，通过RMD模拟构建的有限化学反应速率大多是建立在来流温度、压力等单一变量函数的基础上。而在实际高超声速条件下气固相互作用时发生的表面化学反应速率不仅与高焓气流环境温度、压力、混合组分比、不同组元分压等多个特征参数有关，还受材料本身种类、表面晶体结构、表面粗糙度及粗糙微孔结构等影响。考虑高超声速条件下气固相互作用时热-力-化耦合的复杂性，亟需更为深入地研究拓展其应用。

2.4 人工智能应用

风洞试验方法能更为准确地预测飞行器气动热环境，但受试验周期、经费及天地一致性等问题因素的限制，难以在全飞行包线内开展大规模试验研究；传统工程估算方法计算成本较低且计算效率较高，但针对复杂外形及服役工况的估算精度不足；另外，尽管目前数值模拟计算的预测精度相对较高，但针对高超声速飞行包线内全部状态开展大规模瞬时预测的计算代价仍非常昂贵，难以满足气动热防护系统工程设计过程中高效率分析的庞大需求[54-59]。自1956年美国Dartmouth会议上麦卡锡首次提出人工智能技术以来已有66年，人工智能技术研发和实践经历过两次严冬(AI Winter)，直至10年前至今又迎来了第3次发展机遇期。近期结合理论分析、数值计算及试验测试手段，以规则学习、数据驱动与能力增强为主的人工智能技术在高超声速气动力/热预测领域方面的应用越来越广泛，如图11[54]所示。目前，发展基于人工智能方法的气动热高精度快速预测方法已逐渐成为促进高超声速飞行器气动力/热设计发展的新引擎，并蕴含巨大的应用价值。近期国外研究学者[60]基于CFD数值模拟结果，利用卷积神经网络等方法构建了流场降阶代理模型，逐步开展了流场高精度快速预测AI-CFD算法的开发研究工作，已初步实现了计算精度与计算效率之间的有效平衡，如图12[60]所示。

值得注意的是在高超声速气动设计领域，国外现有AI-CFD算法研究大多应用于流场及气动积分力预测代理模型的构建，但针对高超声速气动热的建模及预测研究尚较缺乏，且亟需传热传质学与大数据科学的内外交叉。尽管学术界对该第四范式长期持有不同观点，如缺乏理论指导的情况下难以对试验及模拟数据进行有效挖掘、复杂飞行器外形或服役工况下对数据间的冲突敏感性强、泛化能力弱等[60]，但这些批评与当前采用人工智能方法开展高超声速气动热/力预测的尝试研究并不矛盾，相信人工智能的快速发展将改变计算本身：将基于理论分析、数值计算及试验测试手段等获得的大数据转变为知识，同时可结合数字孪生平台实现虚实联动，进一步支持高超声速飞行器防热系统设计过程中更好地决策，在不断的批判和矛盾中螺旋式推进发展。

3 中国研究现状简述及展望

相对于国外已日趋成熟的研究水平，中国学者在2000年左右开始逐渐认识到热防护设计中高温气体效应及壁面气固非均相反应特性对高超声速气动热精确预测的重要性[61-63]。中国科学研究院力学所吴承康院士团队[64]和中国空气动力研究与发展中心董维中教授团队[65]是中国对该方向最早开展研究的团队之一。自此热防护材料气固非均相反应特性的研究在中国起步，借助后发之力取得了显著进步。目前中国对该方向进行研究的主要单位包括中国空气动力研究与发展中心[66-69]、哈尔滨工业大学[3-6,11,70-73]、中国科学研究院[74-76]、西北工业大学[77-79]、北京航空航天大学[80-89]等院所和高校。

哈尔滨工业大学杜善义院士、孟松鹤教授团队利用微波等离子和高频感应加热装置搭建了试验室测试与评价平台[3-6,11,70-73]，如图13[3]所示，对多种气固界面非均相反应特性进行了大量试验研究，并通过分析材料表面气体组分浓度的变化趋势建立了不同极端服役环境下的防热理论模型。基于已获得的部分材料在不同温度、压力离解空气中的有限化学反应速率常数与国外数据的差异性分析，证实了材料表面有限化学反应速率常数除受温度的影响外，还与环境压力、材料成分、结构及表面粗糙度等其他因素有关。

中国空气动力研究与发展中心研究团队[66-69,90]利用高频等离子体风洞开展了热防护材料气固界面特性的试验研究，并针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题建立了界面多相催化效应与气动热的耦合计算方法，如图14[10,66]所示，并逐渐发展完善了自主化国产高超声速飞行器气动物理流场计算软件开发的重要工作。

此外为缩短气动热设计周期并提高气动热预测效率，中国多位研究学者利用递归径向基函数(RBF)等神经网络方法开展了气动力/热预测代理模型的研究[91-93]，如图15[91-93]所示，现有结果表明该方法能对高超声速飞行器表面热流实现与数值模拟结果精度接近的快速预测，且具有良好的泛化能力。

在考虑气固界面热质耦合特性及其对高超声速气动热预测的影响方面，笔者所在的北京航空航天大学研究团队也开展了不同飞行条件下材料气固界面热质耦合特性对气动力/热特性影响的CFD模拟计算研究，如图16[80-87]所示；发现传统基于指定催化重组系数或通过试验数据拟合得到催化重组系数的化学非平衡流场数值模拟中，所得结果与试验结果具有较明显的偏差。这是由于高温气体效应及壁面催化效应在高超声速飞行中非常显著，向CFD中直接加入指定或通过试验数据拟合的催化重组系数具有很大的不确定性且缺乏理论依据[88-89]。此外，尽管中国已有少数学者将RMD方法应用于材料的热解、燃烧和爆轰等领域，但中国基于RMD方法在材料界面复杂气固非均相反应及界面演化表征方面的研究尚处于起步阶段。

溯源产生目前困境的主要原因之一在于对复杂高焓非平衡环境下热防护材料气固界面传热传质耦合演化机制的认知尚存不足，热-力-化多场非线性耦合下的气固非均相化学反应路径、界面演化影响因素和调控机理等关键问题尚未解决。为此笔者团队[80-87]近期开展了如下工作：① 采用国外近期发展迅速的RMD模拟方法系统地开展了碳基、硅基、树脂基、C/SiC基复合材料及新型2D/2.5D石墨烯纳米带编织材料在热化学非平衡条件下气固界面物理化学演化过程、异相化学反应产物组分、催化重组特性及质量引射效应等微观机制的研究；② 进一步以材料表面催化重组反应为例，发展了一种气固界面非均相反应与宏观气动热耦合的CFD/RMD多尺度计算方法，提高了高超声速气动热CFD数值模拟计算精度约16%～25%，为解决中国现有气动热CFD数值模拟研究中材料表面催化效应表征不准确的问题提供了一条新思路；③ 面向实际工程应用，结合改进RBF及CNN方法发展了新型智能多尺度AI-CFD/RMD高精度敏捷预测算法框架，初步实现了变服役工况及变飞行器外形等复杂情况下高超声速气动热的快速预测(见图16[80-87])，将预测时间提升至秒级并验证了该方法的可靠性，为进一步开展热防护材料复杂气固界面热质耦合特性及其对气动热影响的研究奠定了基础。

此外值得注意的是随数字孪生技术[94-95]日趋受国内外广泛重视，其作为一项关键技术和提高效能的重要工具，已被用于支撑飞行器力学性能寿命周期决策。人工智能同样也是高超声速领域数字孪生平台构建的底层关键技术之一。数字孪生技术与AI技术的融合在未来高超声速气动热设计、分析预测、模拟仿真等应用方面具有极大的潜力。笔者研究团队正设计搭建的高超声速跨尺度气动热计算及智能数字孪生平台即以烧蚀型热防护系统为例，通过集成烧蚀试验硬件平台及基于AI-CFD/RMD方法的智能多尺度仿真软件平台构建防热材料极端服役工况下的数字孪生体，软硬结合以实现瞬态条件下的虚实联动，为材料烧蚀过程的气固界面热质输运耦合机理、宏观气动热流场预测、试验实时监测修正、智能决策预警及热防护系统设计优化等方面提供自主化集成平台，如图17所示。

4 展望及思考

针对极端环境下热防护材料气固界面的传热传质问题简要回顾了国内外最新进展，考虑高温非均相化学反应与传热传质非线性耦合的复杂性，还需对现存的问题和诸多未知领域开展大量创新性工作：

1) 在试验测试手段方面，传统针对高焓非平衡流场与防热材料间相互作用的研究大多集中在基于地面风洞试验的唯象评价方法或基于现象学和动力学的理论经验模型方法，在认知手段和理论方法上都存在较大的局限性。国外近期已开始有效利用高精度集成、自动和同步控制的流场重构及光谱诊断测试系统将其高空间/时间分辨测试优势与微观RMD模拟方法结合，开展针对材料气固非均相反应及界面演化表征方面的研究。但目前中国对于该试验测试平台协同控制和运行的经验相对较少。亟须发展防热材料在复杂热-力-化耦合作用下更高精度的理论模型及更先进的表征技术。

2) 在理论计算方面，传统基于单一化学反应机制简化假设的有限速率化学反应模型边界条件给真实服役环境下宏观CFD气动热模拟预测结果带来极大误差，这是由于高焓非平衡流与防热材料表面间气固非均相反应的实际过程并不是基于材料表面催化、氧化、烧蚀的某种单一简化反应机制，而是呈现出多种异相反应同步发生且存在非线性竞争机制和演化的特点。而基于RMD方法在表面气固相互作用的相关研究在某种程度上虽然可弥补试验手段的不足，但中国也还处于起步阶段，相关研究中仅关注表面发生催化反应的较低温度区间，针对可同时发生更为复杂的催化和氧化、热解烧蚀、升华等传热传质耦合现象的高温区间研究较为缺乏。

3) 在数值模拟方面，目前基于微观本构RMD模型的计算结果正被国外的研究学者用以尝试构建有限催化模型边界条件并耦合于宏观CFD气动热数值计算，但仅是初步的探索和定性分析，仍局限于少数材料在特殊热环境条件下的表面催化等反应过程，得到的结果不具备普适性，且未完全应用到材料表面气固非均相反应与气动热耦合作用分析中。特别是考虑未来对热防护材料的轻量化、复合化、陶瓷化的迫切需求，如何通过晶相调控、合理掺杂等有效手段进一步提升其耐温极限以实现超高温、低烧蚀的目标关键尚不清楚。通过揭示相互作用机制并表征关键控制要素发展基于需求最优协同性能机制的自下而上多尺度材料设计方法可大幅缩短研发周期并降低成本，为满足更严苛服役环境需求提供重要的理论意义和实用价值。因此亟须以建立科学合理的气固非均相反应模型为基础，对超高温材料界面热量传递、质量传递、化学反应路径等进行建模和耦合分析，从更微观的尺度上对防热材料进行设计和界面控制，建立自下而上的防热材料主动设计方法；通过正向优化设计，从关注极端环境下的界面演化行为，到强化认知环境与材料的耦合作用机制，最终实现热防护系统从被动式冗余设计到主动式精细化设计的跨越。

4) 基于范式革命与科学创新的思考，可预见为适应新一代航空航天领域的需求，未来会从多学科交叉角度开展试验表征、理论及数值模拟计算、人工智能及数字孪生技术的高超声速热防护材料气固界面热质耦合问题研究工作，将在很长一段时间内继续成为航天航空高超声速领域的研究热点之一。