[科普中國]-“先鋒”高超聲速導(dǎo)彈會(huì)像雪糕一樣融化？

消息稱俄羅斯總統(tǒng)普京在談到“先鋒”高超音速導(dǎo)彈時(shí)，曾說這種導(dǎo)彈飛行就冰棍，會(huì)邊飛邊融化，是什么“冰棍效應(yīng)”。這是怎么回事？

2020年9月，俄羅斯總統(tǒng)普京在談到最新服役的“先鋒”高超聲速導(dǎo)彈時(shí)，確實(shí)說過：這種導(dǎo)彈在飛行中會(huì)像雪糕一樣融化，因此其能承受極高的表面溫度。在與俄核工業(yè)代表舉行的會(huì)議上，他又說：“這就像是‘冰棍效應(yīng)’，（高超音速導(dǎo)彈）一邊飛，一邊融化。飛行中的溫度接近2000度，只比太陽溫度低一點(diǎn)兒，但材料可在需要的時(shí)間內(nèi)抵御住這一高溫?！?/p>

這看似一個(gè)玩笑，實(shí)際是對(duì)導(dǎo)彈彈頭抗燒蝕機(jī)理的一個(gè)非常恰當(dāng)?shù)谋扔鳌?/p>

▲俄羅斯先鋒導(dǎo)彈彈頭高速滑翔飛行

▲俄羅斯先鋒導(dǎo)彈彈頭高速滑翔飛行，其表面會(huì)像雪糕一樣“融化”，帶走表面熱量

導(dǎo)彈在超高速飛行時(shí)，由于流過其表面的氣流猛烈受壓，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)導(dǎo)彈與氣流之間發(fā)生粘性摩擦也產(chǎn)生部分熱能，從而使導(dǎo)彈受熱。這種現(xiàn)象就是“氣動(dòng)加熱”，溫度隨著飛行速度增大而急速增高。它也和飛行高度有關(guān)，因?yàn)楦叨仍降?，空氣密度越大，氣?dòng)加熱也就越嚴(yán)重。例如，射程3000千米的彈道導(dǎo)彈，在穿越大氣層起飛、爬高時(shí)，因氣動(dòng)加熱而升溫到幾百度，接近目標(biāo)再入大氣層時(shí)，彈頭溫度可以達(dá)到幾千度。

因此導(dǎo)彈，特別是中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，在設(shè)計(jì)彈頭時(shí)必須考慮熱防護(hù)問題。科研人員也先后找到了四種熱防護(hù)方案：熱沉式、輻射隔熱式、燒蝕式、發(fā)汗冷卻式。

使用最廣、效率最好的是燒蝕式，特別是對(duì)中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈頭，幾乎毫無例外地都選擇了這種。普京說的“冰棍”，就是這種方式里的一種。

▲經(jīng)過再入考驗(yàn)的美國MK5彈頭再入體外殼

燒蝕式防熱，是利用防熱材料在受熱條件下產(chǎn)生汽化、蒸發(fā)、升華、流失等一系列物理化學(xué)變化，消耗部分質(zhì)量，同時(shí)將大部分氣動(dòng)加熱在表面消耗或帶走，從而達(dá)到保護(hù)飛行器的目的。這在各國再入飛行器設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，包括彈道飛行器、飛船、返回式衛(wèi)星，還有低升力力再入體。燒蝕防熱適用的飛行任務(wù)范圍很廣泛，環(huán)境條件可在一個(gè)極廣的范圍內(nèi)變化，從長時(shí)間(2000秒數(shù)量級(jí)）、低氣動(dòng)加熱率（低于100千瓦/平方，并伴隨著再入體激波層的強(qiáng)烈輻射加熱），到幾十秒時(shí)間、高氣動(dòng)加熱率（高于10000千瓦/平方米），都能適用。

▲彈頭燒蝕試驗(yàn)后可見鑄造的端頭帽和纖維布包裹的再入體殼體，被燒蝕掉的部分像雪糕融化一樣帶走了致命的熱量

可以看出，采用燒蝕式防熱的關(guān)鍵，是燒蝕材料的選擇與制造。根據(jù)燒蝕機(jī)理和燒蝕特征，目前燒蝕材料大致可以分成四類。第一，碳化塑料燒蝕材料，包括單基塑料，以有機(jī)材料（滌綸等）或無機(jī)材料（玻璃、石英、碳、金屬等）增強(qiáng)的塑料。例如，許多國家導(dǎo)彈彈頭的端頭部分，采用了碳纖維編織材料。第二，熱塑性燒蝕材料，諸如泰氟?。ň鬯姆蚁?，在燒蝕過程中直接升華成氣體。第三，耐高溫氧化物燒蝕材料，包括石英等材料。它們?cè)诟邿崃鳑_刷下，會(huì)發(fā)生軟化、熔融、蒸發(fā)等現(xiàn)象，并在氣體沖刷下流動(dòng)。第四，耐高溫陶瓷燒蝕材料，比如石墨。它們?cè)跓g過程中是氧化和升華過程起作用，受傳導(dǎo)介質(zhì)的影響并受表面發(fā)生的多相化學(xué)反應(yīng)的影響。美國航天飛機(jī)機(jī)翼前緣表面，就是用了陶瓷貼片瓦材料。

▲再入體發(fā)射前與回收后的比較，可見右側(cè)表面已經(jīng)被嚴(yán)重?zé)g

上述四種材料都有其最適用的環(huán)境條件。彈道導(dǎo)彈、高超音速導(dǎo)彈，飛行時(shí)面臨的環(huán)境條件范圍很寬，因此沒有固定的某種材料比其它材料特別優(yōu)越。但相比而言，碳化燒蝕材料，應(yīng)用范圍最廣，因?yàn)樗嬗辛硗鈨煞N熱防護(hù)方法，輻射式、發(fā)汗冷卻式的一些最好的特性，表面溫度可以達(dá)到很高，而隔熱問題卻由于碳化塑料的分解溫度低而極易解決。這就是各國最終都將碳纖維編織材料作為防止導(dǎo)彈彈頭燒蝕的最終解決方案的原因。從這點(diǎn)來看，高速導(dǎo)彈在飛行中還真如普京所說，就像“雪糕”一樣邊飛邊融化。

李文盛：電子工程學(xué)士及軍事學(xué)碩士，原總參某部高級(jí)工程師，從事軍事信息與軍事戰(zhàn)略研究，以及遠(yuǎn)程作戰(zhàn)問題研究，長期參加中國軍控學(xué)會(huì)《年度國際軍備控制與裁軍報(bào)告》及中國國際問題研究所《全球核態(tài)勢評(píng)估（年度）報(bào)告》的撰寫，在軍內(nèi)外十余家刊物發(fā)表學(xué)術(shù)及軍事科普論文400余篇，參與《俄羅新軍事基本情況》、《美國未來作戰(zhàn)系統(tǒng)》等多部論著撰寫，主持或參加了多項(xiàng)國家及軍隊(duì)科研項(xiàng)目，獲得軍隊(duì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)多項(xiàng)，為核戰(zhàn)略與核武器發(fā)展、作戰(zhàn)使用專家，在防空與反導(dǎo)，以及常規(guī)遠(yuǎn)程作戰(zhàn)方面也有較深研究。

出品：科普中國

作者：李文盛

策劃：金赫

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部