燒蝕材料：飛行器的“保護傘”

龔仕辰 張育新

我們知道，火箭、航天飛機在返回地球的時候，由于燃料不足以將飛行器從一個很高的速度（約7.7km/s）降到一個很低的速度，所以只能通過地球表面稠密的大氣層來減速。大氣層通過摩擦“拽住”飛行器達到減速的目的，而如此高速的情況下，摩擦會產(chǎn)生巨大的熱量使飛行器表面溫度迅速升高至幾千甚至上萬攝氏度。如果沒有保護，那么飛行器就會瞬間化作一團火焰而“灰飛煙滅”。例如美國的“哥倫比亞”號航天飛機在返回的過程中，飛機的隔熱瓦受損，返回途中飛機爆炸，飛機上的7 人全部遇難。

我們熟知的火箭表面的“保護傘”，就是燒蝕材料。燒蝕材料具有汽化熱大、比熱容大、絕熱性好、向外界輻射熱量功能強的特點。當火箭穿過大氣層時，燒蝕材料會發(fā)生分解、融化、蒸發(fā)、升華等多種吸熱的物理化學變化，借助材料自身的質(zhì)量消耗帶走大量熱量，從而防止火箭在返回途中被燒毀，保證了火箭的安全著陸和宇航員們的生命安全。

不僅火箭外部需要用到燒蝕材料，火箭內(nèi)的發(fā)動機內(nèi)壁也同樣需要。因為固體火箭發(fā)動機的內(nèi)部長時間在高溫高壓的環(huán)境下工作，需要在內(nèi)壁加入耐燒蝕的復(fù)合材料作為內(nèi)襯絕熱層，防止發(fā)動機損壞。

當然，燒蝕材料不僅可以用于航天領(lǐng)域，還可以用于軍事領(lǐng)域。我國的軍事能力在最近幾十年的發(fā)展可以說是突飛猛進，東風系列導(dǎo)彈為大眾所知曉，“東風快遞，使命必達”的口號也“飛入尋常百姓家”了。

東風系列導(dǎo)彈是我國的一系列近程、中遠程和洲際彈道導(dǎo)彈。

彈道導(dǎo)彈是指在火箭發(fā)動機推力作用下按預(yù)定程序飛行，關(guān)機后按自由拋物體軌跡飛行的導(dǎo)彈。有些彈道導(dǎo)彈的彈道在大氣層外，因此，這些導(dǎo)彈不可避免地要穿過大氣層。而彈道導(dǎo)彈的飛行速度也達到了大約10 馬赫（相當于當?shù)芈曀?0 倍，約為3 403m/s），所以在大氣層中也會因為摩擦而產(chǎn)生大量的熱量，主要是在彈頭處。在高溫高壓的環(huán)境下，導(dǎo)彈的彈頭會遭到嚴重的損壞，從而影響導(dǎo)彈的飛行軌跡和射程。因此，在導(dǎo)彈彈頭上也會加上高密度的燒蝕材料涂層，防止導(dǎo)彈彈頭的損壞，使導(dǎo)彈能夠精準地打擊目標。

燒蝕材料按照燒蝕的機理可以分為升華型、熔化型和碳化型三類。

升華型

升華型的材料在遇見高溫時，會通過一種叫作升華①的物理變化，帶著大量熱量一起“遠走他鄉(xiāng)”，這樣就可以使得飛行器的表面溫度不會因為太高而發(fā)生事故。但是，這類升華型的材料隔熱性能不好，也就是說這類材料不能很好地防止熱量傳導(dǎo)到飛行器的內(nèi)部，而且這類材料的制作成本比較高，所以在實際應(yīng)用中并不多見。

熔化型

熔化型的材料會在遇到高溫時發(fā)生熔化。在熔化過程中，它可以吸收大量熱量，而且熔化型的材料包括石英、玻璃一類，這類材料在經(jīng)過熔化之后會在飛行器的表面形成一個“保護套”——液態(tài)膜，這個“保護套”可以降低飛行器所受到的氣流沖刷帶來的影響。這類材料有一個缺點就是不便于加工，也就很難大面積地用在飛行器表面。

碳化型

碳化型的材料是通過高溫下高分子材料發(fā)生碳化吸熱，從而防止飛行器表面溫度過高。

國外關(guān)于航天器的輕質(zhì)燒蝕材料研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，并且已經(jīng)有了豐富的飛行經(jīng)歷。國外研究的材料種類多樣，并且形成了較為完整的體系，不僅可以滿足多種環(huán)境下的不同需求，還可以滿足各個量級的飛行器對于防熱的不同需求。而從國內(nèi)的角度來看，對于輕質(zhì)燒蝕材料的研究還遠不及國外，輕質(zhì)燒蝕材料是一個值得去投入研究的重要領(lǐng)域。

目前，我國燒蝕材料正處于不斷摸索前進的階段，開發(fā)出高性能水平的燒蝕材料對于增強我國航天、軍事水平都有著重大意義。相信我國的科學家們一定會在不遠的未來，研制出性能更好的燒蝕材料，將我國的航天和軍工事業(yè)推向新的高度。