導彈彈頭防熱材料初探
摘要：本文回顧了導彈彈頭防熱設計的途徑及防熱材料的發展，介紹了防熱材料原材料和成型工藝的選擇、以及防熱材料的性能要求和驗收方法，提出了防熱材料發展的初步設想。
1 前言
導彈以極高的馬赫數再氣層時，遇到了苛刻的氣動加熱，為了確保導彈不被燒毀，歷來在飛行器設計時就把導彈彈頭防熱設計作為一個重要部分，防熱材料是防熱設計的基礎。隨著科學技術的發展，導彈彈頭除了要經受氣動熱和氣動力的考驗外，還要經受核爆炸、激光武器、動能武器、粒子云環境等的考驗，這些都給設計者提出了新的挑戰，同時對防熱材料也有了新的功能要求。
2 導彈彈頭防熱設計的途徑及防熱材料的發展
為使導彈克服熱障順利地摧毀目標，導彈彈頭防熱設計途徑先是結構簡單而笨重的熱沉式，由于吸熱量不夠大，且須在犧牲再入速度、命中精度和有效載荷的前提下達到防熱目的，故很快被結構簡單，重量輕、防熱效果好的燒蝕式所代替，這也是目前主要的防熱方案。但是燒蝕式的缺點是燒蝕外形和重量變化大，影響再人的穩定性和命中精度。因此，又有一部分設計者提出發汗冷卻設計方案，從理論上講，它是解決防熱的一個理想的方法，但它也有技術復雜、難度大等一系列的問題，雖然研究工作從未中斷過，但到目前為止，還沒有一套完善的設計計算方法及地面試驗技術，且還未在任何彈頭上實際應用過，目前仍處于研究階段。
防熱材料的發展是防熱設計的基礎。熱沉式設計采用銅、鈹、鎢等金屬作為防熱材料；燒蝕式設計傳統上采用硅基纖維紗（玻璃纖維紗、高硅氧纖維紗）增強酚醛塑料和硅基纖維布（玻璃纖維布、高硅氧纖維布），增強酚醛塑料作為防熱材料，目前發展到采用更耐燒蝕的碳基材料（碳酚醛、碳-碳）作為防熱材料；發汗冷卻設計的防熱材料的研制也在進行中。
3 原材料的選擇[-page-]
在實際工程應用中，防熱設計主要采用的是燒蝕式設計。按防熱材料燒蝕作用機制的不同，可將防熱材料分為熔化型、碳化型和升華型三種類型。熔化型防熱材料主要是利用材料在高溫下熔化吸收熱量，并進一步利用形成的熔融液態層來阻塞熱流，其代表性材料是石英和玻璃類材料；碳化型防熱材料主要是利用高分子材料在高溫下碳化吸收熱量，并進一步利用形成的碳化層輻射散熱和阻塞熱流，其代表性材料是以酚醛樹脂為基體的防熱材料；升華型防熱材料主要是利用材料在高溫下升華氣化吸收熱能，其代表性材料是石墨和碳/碳復合材料。
按防熱材料基體的不同，可將防熱材料分為樹脂基、碳基和陶瓷基三類。樹脂基防熱材料主要有玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛和碳／酚醛復合材料。其中玻璃／酚醛和高硅氧／酚醛屬于碳化一熔化型防熱材料，適用于中等焓值和中等熱流的工作環境，碳/酚醛屬于碳化-升華型防熱材料，適用于能發揮升華效應的較高焓值和較高熱流的工作環境；碳基防熱材料主要有碳/碳復合材料，屬于升華型防熱材料，適用于高焓、高熱流的嚴峻環境。但若將其用于焓值和熱流都不高的工作環境，升華效應得不到發揮，成為單純的氧化燃燒，也達不到預期的防熱效果；陶瓷基防熱材料應用于彈頭上的有碳/石英復合材料，屬于熔化-升華型防熱材料，石英材料具有優良的耐高溫性能，其脆性和抗熱震性能的不足，由碳纖維增強的方式予以彌補。對于導彈彈頭不同的防熱要求，我們可通過選擇不同的防熱材料來滿足。
4 成型工藝的選擇
在導彈彈頭熱防護工程應用中，防熱技術是一個極為重要的課題，它一般可分為端頭防熱技術、防熱層防熱技術和底部防熱技術。端頭、防熱層和底部在再入時經受的熱流值分別為105 kW/m2，103~104kW/m2，102kW/m2，筆者長期從事導彈彈頭防熱部件的生產線，就端頭、防熱層和底部防熱部位的不同分別介紹其常用的成型工藝。
圖1所示為一典型的彈頭結構示意圖。
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（1）端頭
作為彈頭防熱的前端的產品一端頭，作為在再入大氣層時經受的熱流值高（105 kW/m2）的防熱部件，端頭對燒蝕性能的要求高。初的熱沉式端頭采用難熔金屬材料銅、鈹、鎢、鉬、鈮及其合金，并在金屬表面涂敷高溫抗氧化防護涂層（如MoSi2、NAA85, Si-20Cr-20Fe等）。由于熱沉式端頭比重大、熱膨脹系數大，使用溫度受限制等原因，目前已不再采用。發汗冷卻式端頭目前仍處于研究階段，還未在任何彈頭上實際應用過。目前采用的燒蝕式端頭主要包括短纖維模壓工藝成型的高硅氧／酚醛端頭、手糊模壓工藝成型的無堿布／環氧酚醛端頭和碳纖維三維織物高壓液相浸漬瀝青成型的碳/碳端頭等。燒蝕式端頭的性能對比見表1。
（2）防熱層[-page-]
防熱層在再入時經受的熱流值為103~104 kW/m2，對燒蝕性能的要求略低于端頭，采用布帶纏繞工藝成型即可滿足要求。布帶纏繞分為平行、重疊、斜纏三種方式。平行纏繞適合于圓柱形制品，此類產品較少，常見的是錐形和特型曲面制品，主要應用重疊和斜纏工藝。所用材料體系有玻璃布/酚醛、高硅氧布/酚醛、碳布/酚醛等。布帶纏繞成型制品性能對比見表2。
（3）底部[-page-]
底部在再入時經受的熱流值為102 kW/m2，對燒蝕性能的要求低。采用層壓工藝成型即可滿足要求。底部防熱所用材料體系有玻璃布/酚醛、高硅氧布/酚醛、碳布/酚醛等。層壓工藝成型制品性能對比見表3。
5 防熱材料性能要求
導彈在再入大氣層時，表面要求承受極高的溫度、較高的外壓力、較大的載荷，要能適應這樣的環境，對防熱材料的性能要求是苛刻的。對防熱材料的性能要求與使用部位有關，對用于某些部位的防熱材料，不但要求有室溫條件下的性能測試數據，而且要求有低溫（-40℃），高溫（260℃）和極高溫( 3500℃）條件下的性能測試數據。對防熱材料的性能要求包括以下六個方面：[-page-]
（1）力學性能
拉伸強度、拉伸模量、斷裂應變、泊松比、彎曲強度、彎曲模量、壓縮強度、壓縮模量、剪切強度、剪切模量等。
（2）物理性能
密度、導熱系數、導溫系數、熱膨脹系數、輻射系數、吸收系數等。
（3）化學性能
化學元素的含量（特別是堿金屬的含量）、耐酸、堿、鹽介質腐蝕的性能、熱化學性能（熔化熱、氣化熱、蒸汽壓）等。
（4）電性能
介電常數、介電損耗角、表面電阻、擊穿電壓等。
（5）燒蝕性能
在特定的試驗條件下，測定材料的線燒蝕性能和重量燒蝕率、熱震性能等。
（6）材料的貯存壽命
要求提供在指定的溫度、濕度、介質濃度條件下，材料允許使用的期限。
上述的各項性能測試數據不是每一種防熱材料都必須具備的，可根據導彈不同部位對所用防熱材料性能要求的不同而有所不同，但是作為防熱材料，燒蝕性能測試數據是必不可少的。
6 防熱材料的驗收
基于防熱材料就是防熱產品的材料、結構統一性的特點，對防熱材料的驗收就是對防熱產品的驗收。為了確保導彈飛行的安全和可靠，必須提供合格的防熱產品，應提供該產品要求提供的性能測試數據和制作過程中工藝穩定的情況。
產品的檢驗可分為兩種：一種為破壞性檢驗（抽樣檢驗），另一種為非破壞性檢驗。兩種檢驗互相補充，缺一不可。采用兩種檢驗相結合的方法對產品進行驗收。破壞性檢驗（抽樣檢驗）具體檢驗方法是在已成型的產品上取工藝薄弱部位作為檢驗區，進行破壞性檢驗，破壞性檢驗項目包括力學性能、物理性能北學性能、電性能、燒蝕性能測試等。非破壞性檢驗項目包括外觀檢驗、外形尺寸檢驗、超聲探傷以及X光探傷等。在這些檢驗項目中，燒蝕檢驗的結果是判斷產品是否合格的關鍵指標，燒蝕性能沒有達到指標，其他性能再好也不能作為合格防熱產品。
7 防熱材料展望
導彈發展的趨勢是小型化、輕重量、少燒蝕、抗攔擊、全天候，相應地對防熱材料的研究也朝著少燒蝕、低導熱、低密度、高強度、多功能（抗核爆、抗激光武器、抗動能武器、抗侵蝕、消除通訊中斷等）等方向發展。筆者認為主要應從以下幾方面開展防熱材料研究工作：新型碳碳復合材料、多功能復合材料、纖維增強陶瓷材料、柔性防熱材料、自適應發汗冷卻材料。
國外關于防熱系統的方案日新月異、結構層出不窮、材料發展迅速，我國應借鑒國外經驗教訓，大力發展上述各種防熱材料，滿足防熱系統設計要求，使新型的導彈能趕上先進水平。
1 前言
導彈以極高的馬赫數再氣層時，遇到了苛刻的氣動加熱，為了確保導彈不被燒毀，歷來在飛行器設計時就把導彈彈頭防熱設計作為一個重要部分，防熱材料是防熱設計的基礎。隨著科學技術的發展，導彈彈頭除了要經受氣動熱和氣動力的考驗外，還要經受核爆炸、激光武器、動能武器、粒子云環境等的考驗，這些都給設計者提出了新的挑戰，同時對防熱材料也有了新的功能要求。
2 導彈彈頭防熱設計的途徑及防熱材料的發展
為使導彈克服熱障順利地摧毀目標，導彈彈頭防熱設計途徑先是結構簡單而笨重的熱沉式，由于吸熱量不夠大，且須在犧牲再入速度、命中精度和有效載荷的前提下達到防熱目的，故很快被結構簡單，重量輕、防熱效果好的燒蝕式所代替，這也是目前主要的防熱方案。但是燒蝕式的缺點是燒蝕外形和重量變化大，影響再人的穩定性和命中精度。因此，又有一部分設計者提出發汗冷卻設計方案，從理論上講，它是解決防熱的一個理想的方法，但它也有技術復雜、難度大等一系列的問題，雖然研究工作從未中斷過，但到目前為止，還沒有一套完善的設計計算方法及地面試驗技術，且還未在任何彈頭上實際應用過，目前仍處于研究階段。
防熱材料的發展是防熱設計的基礎。熱沉式設計采用銅、鈹、鎢等金屬作為防熱材料；燒蝕式設計傳統上采用硅基纖維紗（玻璃纖維紗、高硅氧纖維紗）增強酚醛塑料和硅基纖維布（玻璃纖維布、高硅氧纖維布），增強酚醛塑料作為防熱材料，目前發展到采用更耐燒蝕的碳基材料（碳酚醛、碳-碳）作為防熱材料；發汗冷卻設計的防熱材料的研制也在進行中。
3 原材料的選擇[-page-]
在實際工程應用中，防熱設計主要采用的是燒蝕式設計。按防熱材料燒蝕作用機制的不同，可將防熱材料分為熔化型、碳化型和升華型三種類型。熔化型防熱材料主要是利用材料在高溫下熔化吸收熱量，并進一步利用形成的熔融液態層來阻塞熱流，其代表性材料是石英和玻璃類材料；碳化型防熱材料主要是利用高分子材料在高溫下碳化吸收熱量，并進一步利用形成的碳化層輻射散熱和阻塞熱流，其代表性材料是以酚醛樹脂為基體的防熱材料；升華型防熱材料主要是利用材料在高溫下升華氣化吸收熱能，其代表性材料是石墨和碳/碳復合材料。
按防熱材料基體的不同，可將防熱材料分為樹脂基、碳基和陶瓷基三類。樹脂基防熱材料主要有玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛和碳／酚醛復合材料。其中玻璃／酚醛和高硅氧／酚醛屬于碳化一熔化型防熱材料，適用于中等焓值和中等熱流的工作環境，碳/酚醛屬于碳化-升華型防熱材料，適用于能發揮升華效應的較高焓值和較高熱流的工作環境；碳基防熱材料主要有碳/碳復合材料，屬于升華型防熱材料，適用于高焓、高熱流的嚴峻環境。但若將其用于焓值和熱流都不高的工作環境，升華效應得不到發揮，成為單純的氧化燃燒，也達不到預期的防熱效果；陶瓷基防熱材料應用于彈頭上的有碳/石英復合材料，屬于熔化-升華型防熱材料，石英材料具有優良的耐高溫性能，其脆性和抗熱震性能的不足，由碳纖維增強的方式予以彌補。對于導彈彈頭不同的防熱要求，我們可通過選擇不同的防熱材料來滿足。
4 成型工藝的選擇
在導彈彈頭熱防護工程應用中，防熱技術是一個極為重要的課題，它一般可分為端頭防熱技術、防熱層防熱技術和底部防熱技術。端頭、防熱層和底部在再入時經受的熱流值分別為105 kW/m2，103~104kW/m2，102kW/m2，筆者長期從事導彈彈頭防熱部件的生產線，就端頭、防熱層和底部防熱部位的不同分別介紹其常用的成型工藝。
圖1所示為一典型的彈頭結構示意圖。
[-page-] （1）端頭
作為彈頭防熱的前端的產品一端頭，作為在再入大氣層時經受的熱流值高（105 kW/m2）的防熱部件，端頭對燒蝕性能的要求高。初的熱沉式端頭采用難熔金屬材料銅、鈹、鎢、鉬、鈮及其合金，并在金屬表面涂敷高溫抗氧化防護涂層（如MoSi2、NAA85, Si-20Cr-20Fe等）。由于熱沉式端頭比重大、熱膨脹系數大，使用溫度受限制等原因，目前已不再采用。發汗冷卻式端頭目前仍處于研究階段，還未在任何彈頭上實際應用過。目前采用的燒蝕式端頭主要包括短纖維模壓工藝成型的高硅氧／酚醛端頭、手糊模壓工藝成型的無堿布／環氧酚醛端頭和碳纖維三維織物高壓液相浸漬瀝青成型的碳/碳端頭等。燒蝕式端頭的性能對比見表1。
（2）防熱層[-page-]
防熱層在再入時經受的熱流值為103~104 kW/m2，對燒蝕性能的要求略低于端頭，采用布帶纏繞工藝成型即可滿足要求。布帶纏繞分為平行、重疊、斜纏三種方式。平行纏繞適合于圓柱形制品，此類產品較少，常見的是錐形和特型曲面制品，主要應用重疊和斜纏工藝。所用材料體系有玻璃布/酚醛、高硅氧布/酚醛、碳布/酚醛等。布帶纏繞成型制品性能對比見表2。
（3）底部[-page-]
底部在再入時經受的熱流值為102 kW/m2，對燒蝕性能的要求低。采用層壓工藝成型即可滿足要求。底部防熱所用材料體系有玻璃布/酚醛、高硅氧布/酚醛、碳布/酚醛等。層壓工藝成型制品性能對比見表3。
5 防熱材料性能要求
導彈在再入大氣層時，表面要求承受極高的溫度、較高的外壓力、較大的載荷，要能適應這樣的環境，對防熱材料的性能要求是苛刻的。對防熱材料的性能要求與使用部位有關，對用于某些部位的防熱材料，不但要求有室溫條件下的性能測試數據，而且要求有低溫（-40℃），高溫（260℃）和極高溫( 3500℃）條件下的性能測試數據。對防熱材料的性能要求包括以下六個方面：[-page-]
（1）力學性能
拉伸強度、拉伸模量、斷裂應變、泊松比、彎曲強度、彎曲模量、壓縮強度、壓縮模量、剪切強度、剪切模量等。
（2）物理性能
密度、導熱系數、導溫系數、熱膨脹系數、輻射系數、吸收系數等。
（3）化學性能
化學元素的含量（特別是堿金屬的含量）、耐酸、堿、鹽介質腐蝕的性能、熱化學性能（熔化熱、氣化熱、蒸汽壓）等。
（4）電性能
介電常數、介電損耗角、表面電阻、擊穿電壓等。
（5）燒蝕性能
在特定的試驗條件下，測定材料的線燒蝕性能和重量燒蝕率、熱震性能等。
（6）材料的貯存壽命
要求提供在指定的溫度、濕度、介質濃度條件下，材料允許使用的期限。
上述的各項性能測試數據不是每一種防熱材料都必須具備的，可根據導彈不同部位對所用防熱材料性能要求的不同而有所不同，但是作為防熱材料，燒蝕性能測試數據是必不可少的。
6 防熱材料的驗收
基于防熱材料就是防熱產品的材料、結構統一性的特點，對防熱材料的驗收就是對防熱產品的驗收。為了確保導彈飛行的安全和可靠，必須提供合格的防熱產品，應提供該產品要求提供的性能測試數據和制作過程中工藝穩定的情況。
產品的檢驗可分為兩種：一種為破壞性檢驗（抽樣檢驗），另一種為非破壞性檢驗。兩種檢驗互相補充，缺一不可。采用兩種檢驗相結合的方法對產品進行驗收。破壞性檢驗（抽樣檢驗）具體檢驗方法是在已成型的產品上取工藝薄弱部位作為檢驗區，進行破壞性檢驗，破壞性檢驗項目包括力學性能、物理性能北學性能、電性能、燒蝕性能測試等。非破壞性檢驗項目包括外觀檢驗、外形尺寸檢驗、超聲探傷以及X光探傷等。在這些檢驗項目中，燒蝕檢驗的結果是判斷產品是否合格的關鍵指標，燒蝕性能沒有達到指標，其他性能再好也不能作為合格防熱產品。
7 防熱材料展望
導彈發展的趨勢是小型化、輕重量、少燒蝕、抗攔擊、全天候，相應地對防熱材料的研究也朝著少燒蝕、低導熱、低密度、高強度、多功能（抗核爆、抗激光武器、抗動能武器、抗侵蝕、消除通訊中斷等）等方向發展。筆者認為主要應從以下幾方面開展防熱材料研究工作：新型碳碳復合材料、多功能復合材料、纖維增強陶瓷材料、柔性防熱材料、自適應發汗冷卻材料。
國外關于防熱系統的方案日新月異、結構層出不窮、材料發展迅速，我國應借鑒國外經驗教訓，大力發展上述各種防熱材料，滿足防熱系統設計要求，使新型的導彈能趕上先進水平。
