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，燒蝕材料會發生分解、融化、蒸發、升華等多種吸熱的物理化學變化，借助材料自身的質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，火箭內的發動機內壁也同樣需要。因為固體火箭發動機的內部長時間在高溫高壓的環境下工作，需要在內壁加入耐燒蝕的復合材料作為內襯絕熱層，防止發動機損壞。

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

東風系列導彈是我國的一系列近程、中遠程和洲際彈道導彈。

彈道導彈是指在火箭發動機推力作用下按預定程序飛行，關機后按自由拋物體軌跡飛行的導彈。有些彈道導彈的彈道在大氣層外，因此，這些導彈不可避免地要穿過大氣層。而彈道導彈的飛行速度也達到了大約10 馬赫（相當于當地聲速10 倍，約為3 403m/s），所以在大氣層中也會因為摩擦而產生大量的熱量，主要是在彈頭處。在高溫高壓的環境下，導彈的彈頭會遭到嚴重的損壞，從而影響導彈的飛行軌跡和射程。因此，在導彈彈頭上也會加上高密度的燒蝕材料涂層，防止導彈彈頭的損壞，使導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”，這樣就可以使得飛行器的表面溫度不會因為太高而發生事故。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到飛行器的內部，而且這類材料的制作成本比較高，所以在實際應用中并不多見。

熔化型

熔化型的材料會在遇到高溫時發生熔化。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，這類材料在經過熔化之后會在飛行器的表面形成一個“保護套”——液態膜，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生碳化吸熱，從而防止飛行器表面溫度過高。

國外關于航天器的輕質燒蝕材料研究已經取得了豐碩的成果，并且已經有了豐富的飛行經歷。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。而從國內的角度來看，對于輕質燒蝕材料的研究還遠不及國外，輕質燒蝕材料是一個值得去投入研究的重要領域。

目前，我國燒蝕材料正處于不斷摸索前進的階段，開發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推向新的高度。