烧蚀材料：飞行器的“保护伞”

龚仕辰 张育新

我们知道，火箭、航天飞机在返回地球的时候，由于燃料不足以将飞行器从一个很高的速度（约7.7km/s）降到一个很低的速度，所以只能通过地球表面稠密的大气层来减速。大气层通过摩擦“拽住”飞行器达到减速的目的，而如此高速的情况下，摩擦会产生巨大的热量使飞行器表面温度迅速升高至几千甚至上万摄氏度。如果没有保护，那么飞行器就会瞬间化作一团火焰而“灰飞烟灭”。例如美国的“哥伦比亚”号航天飞机在返回的过程中，飞机的隔热瓦受损，返回途中飞机爆炸，飞机上的7 人全部遇难。

我们熟知的火箭表面的“保护伞”，就是烧蚀材料。烧蚀材料具有汽化热大、比热容大、绝热性好、向外界辐射热量功能强的特点。当火箭穿过大气层时，烧蚀材料会发生分解、融化、蒸发、升华等多种吸热的物理化学变化，借助材料自身的质量消耗带走大量热量，从而防止火箭在返回途中被烧毁，保证了火箭的安全着陆和宇航员们的生命安全。

不仅火箭外部需要用到烧蚀材料，火箭内的发动机内壁也同样需要。因为固体火箭发动机的内部长时间在高温高压的环境下工作，需要在内壁加入耐烧蚀的复合材料作为内衬绝热层，防止发动机损坏。

当然，烧蚀材料不仅可以用于航天领域，还可以用于军事领域。我国的军事能力在最近几十年的发展可以说是突飞猛进，东风系列导弹为大众所知晓，“东风快递，使命必达”的口号也“飞入寻常百姓家”了。

东风系列导弹是我国的一系列近程、中远程和洲际弹道导弹。

弹道导弹是指在火箭发动机推力作用下按预定程序飞行，关机后按自由抛物体轨迹飞行的导弹。有些弹道导弹的弹道在大气层外，因此，这些导弹不可避免地要穿过大气层。而弹道导弹的飞行速度也达到了大约10 马赫（相当于当地声速10 倍，约为3 403m/s），所以在大气层中也会因为摩擦而产生大量的热量，主要是在弹头处。在高温高压的环境下，导弹的弹头会遭到严重的损坏，从而影响导弹的飞行轨迹和射程。因此，在导弹弹头上也会加上高密度的烧蚀材料涂层，防止导弹弹头的损坏，使导弹能够精准地打击目标。

烧蚀材料按照烧蚀的机理可以分为升华型、熔化型和碳化型三类。

升华型

升华型的材料在遇见高温时，会通过一种叫作升华①的物理变化，带着大量热量一起“远走他乡”，这样就可以使得飞行器的表面温度不会因为太高而发生事故。但是，这类升华型的材料隔热性能不好，也就是说这类材料不能很好地防止热量传导到飞行器的内部，而且这类材料的制作成本比较高，所以在实际应用中并不多见。

熔化型

熔化型的材料会在遇到高温时发生熔化。在熔化过程中，它可以吸收大量热量，而且熔化型的材料包括石英、玻璃一类，这类材料在经过熔化之后会在飞行器的表面形成一个“保护套”——液态膜，这个“保护套”可以降低飞行器所受到的气流冲刷带来的影响。这类材料有一个缺点就是不便于加工，也就很难大面积地用在飞行器表面。

碳化型

碳化型的材料是通过高温下高分子材料发生碳化吸热，从而防止飞行器表面温度过高。

国外关于航天器的轻质烧蚀材料研究已经取得了丰硕的成果，并且已经有了丰富的飞行经历。国外研究的材料种类多样，并且形成了较为完整的体系，不仅可以满足多种环境下的不同需求，还可以满足各个量级的飞行器对于防热的不同需求。而从国内的角度来看，对于轻质烧蚀材料的研究还远不及国外，轻质烧蚀材料是一个值得去投入研究的重要领域。

目前，我国烧蚀材料正处于不断摸索前进的阶段，开发出高性能水平的烧蚀材料对于增强我国航天、军事水平都有着重大意义。相信我国的科学家们一定会在不远的未来，研制出性能更好的烧蚀材料，将我国的航天和军工事业推向新的高度。