[科普中国]-“先锋”高超声速导弹会像雪糕一样融化？

消息称俄罗斯总统普京在谈到“先锋”高超音速导弹时，曾说这种导弹飞行就冰棍，会边飞边融化，是什么“冰棍效应”。这是怎么回事？

2020年9月，俄罗斯总统普京在谈到最新服役的“先锋”高超声速导弹时，确实说过：这种导弹在飞行中会像雪糕一样融化，因此其能承受极高的表面温度。在与俄核工业代表举行的会议上，他又说：“这就像是‘冰棍效应’，（高超音速导弹）一边飞，一边融化。飞行中的温度接近2000度，只比太阳温度低一点儿，但材料可在需要的时间内抵御住这一高温。”

这看似一个玩笑，实际是对导弹弹头抗烧蚀机理的一个非常恰当的比喻。

▲俄罗斯先锋导弹弹头高速滑翔飞行

▲俄罗斯先锋导弹弹头高速滑翔飞行，其表面会像雪糕一样“融化”，带走表面热量

导弹在超高速飞行时，由于流过其表面的气流猛烈受压，动能转化为热能，同时导弹与气流之间发生粘性摩擦也产生部分热能，从而使导弹受热。这种现象就是“气动加热”，温度随着飞行速度增大而急速增高。它也和飞行高度有关，因为高度越低，空气密度越大，气动加热也就越严重。例如，射程3000千米的弹道导弹，在穿越大气层起飞、爬高时，因气动加热而升温到几百度，接近目标再入大气层时，弹头温度可以达到几千度。

因此导弹，特别是中远程导弹，在设计弹头时必须考虑热防护问题。科研人员也先后找到了四种热防护方案：热沉式、辐射隔热式、烧蚀式、发汗冷却式。

使用最广、效率最好的是烧蚀式，特别是对中远程导弹弹头，几乎毫无例外地都选择了这种。普京说的“冰棍”，就是这种方式里的一种。

▲经过再入考验的美国MK5弹头再入体外壳

烧蚀式防热，是利用防热材料在受热条件下产生汽化、蒸发、升华、流失等一系列物理化学变化，消耗部分质量，同时将大部分气动加热在表面消耗或带走，从而达到保护飞行器的目的。这在各国再入飞行器设计中得到了广泛应用，包括弹道飞行器、飞船、返回式卫星，还有低升力力再入体。烧蚀防热适用的飞行任务范围很广泛，环境条件可在一个极广的范围内变化，从长时间(2000秒数量级）、低气动加热率（低于100千瓦/平方，并伴随着再入体激波层的强烈辐射加热），到几十秒时间、高气动加热率（高于10000千瓦/平方米），都能适用。

▲弹头烧蚀试验后可见铸造的端头帽和纤维布包裹的再入体壳体，被烧蚀掉的部分像雪糕融化一样带走了致命的热量

可以看出，采用烧蚀式防热的关键，是烧蚀材料的选择与制造。根据烧蚀机理和烧蚀特征，目前烧蚀材料大致可以分成四类。第一，碳化塑料烧蚀材料，包括单基塑料，以有机材料（涤纶等）或无机材料（玻璃、石英、碳、金属等）增强的塑料。例如，许多国家导弹弹头的端头部分，采用了碳纤维编织材料。第二，热塑性烧蚀材料，诸如泰氟隆（聚四氟乙烯），在烧蚀过程中直接升华成气体。第三，耐高温氧化物烧蚀材料，包括石英等材料。它们在高热流冲刷下，会发生软化、熔融、蒸发等现象，并在气体冲刷下流动。第四，耐高温陶瓷烧蚀材料，比如石墨。它们在烧蚀过程中是氧化和升华过程起作用，受传导介质的影响并受表面发生的多相化学反应的影响。美国航天飞机机翼前缘表面，就是用了陶瓷贴片瓦材料。

▲再入体发射前与回收后的比较，可见右侧表面已经被严重烧蚀

上述四种材料都有其最适用的环境条件。弹道导弹、高超音速导弹，飞行时面临的环境条件范围很宽，因此没有固定的某种材料比其它材料特别优越。但相比而言，碳化烧蚀材料，应用范围最广，因为它兼有另外两种热防护方法，辐射式、发汗冷却式的一些最好的特性，表面温度可以达到很高，而隔热问题却由于碳化塑料的分解温度低而极易解决。这就是各国最终都将碳纤维编织材料作为防止导弹弹头烧蚀的最终解决方案的原因。从这点来看，高速导弹在飞行中还真如普京所说，就像“雪糕”一样边飞边融化。

李文盛：电子工程学士及军事学硕士，原总参某部高级工程师，从事军事信息与军事战略研究，以及远程作战问题研究，长期参加中国军控学会《年度国际军备控制与裁军报告》及中国国际问题研究所《全球核态势评估（年度）报告》的撰写，在军内外十余家刊物发表学术及军事科普论文400余篇，参与《俄罗新军事基本情况》、《美国未来作战系统》等多部论著撰写，主持或参加了多项国家及军队科研项目，获得军队科技进步奖多项，为核战略与核武器发展、作战使用专家，在防空与反导，以及常规远程作战方面也有较深研究。

出品：科普中国

作者：李文盛

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