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(shuō)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(shuō)過(guò):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(shuō):“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(yáng)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(guò)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)楦叨仍降停諝饷芏仍酱?,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(wèn)題??蒲腥藛T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(wú)例外地都選擇了這種。普京說(shuō)的“冰棍”,就是這種方式里的一種。
▲經(jīng)過(guò)再入考驗(yàn)的美國(guó)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(guó)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(zhǎng)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(jiàn)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(wú)機(jī)材料(玻璃、石英、碳、金屬等)增強(qiáng)的塑料。例如,許多國(guó)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鬯姆蚁跓g過(guò)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(guò)程中是氧化和升華過(guò)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(guó)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(jiàn)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(méi)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(wèn)題卻由于碳化塑料的分解溫度低而極易解決。這就是各國(guó)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(lái)看,高速導(dǎo)彈在飛行中還真如普京所說(shuō),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(wèn)題研究,長(zhǎng)期參加中國(guó)軍控學(xué)會(huì)《年度國(guó)際軍備控制與裁軍報(bào)告》及中國(guó)國(guó)際問(wèn)題研究所《全球核態(tài)勢(shì)評(píng)估(年度)報(bào)告》的撰寫(xiě),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(guó)未來(lái)作戰(zhàn)系統(tǒng)》等多部論著撰寫(xiě),主持或參加了多項(xiàng)國(guó)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(guó)
作者:李文盛
策劃:金赫
監(jiān)制:光明網(wǎng)科普事業(yè)部