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一份复合材料合同,暴露出美国高超声速导弹研制可能遇到了挫折

更新于:2020-11-17   来源:环球时报   点击:809次

11月13日,一家名叫巴特勒科技的美国企业获得了美国国防部4630万美元的合同,研制一种高超声速下的热防护材料。合同的名字叫做“用于高超声速的碳-碳复合材料制造”。这份合同的授予,让人多少感觉有点不对味。

碳-碳复合材料是人们所熟悉的宇航防热材料,而热防护系统是航空宇航领域中当仁不让的关键技术之一,特别是到了高超声速阶段。世界上没有多少材料可以耐受高超声速武器飞行时产生的气动加热,而不变形、烧蚀乃至解体。无论航天飞机还是X-37B,用的都是碳-碳复合材料隔热瓦。美国新一代载人飞船“猎户座”也打算采用同样的防热材料。如今把它用在高超声速武器上,听起来似乎也很合理。

但是,碳-碳复合材料是最好的吗?显然不是。

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研制中的美国高超声速导弹

按照哈尔滨工业大学有关专家的论文,碳-碳复合材料在惰性气氛保护环境下具有优异的高温力学性能,但由于碳元素特殊的性质,它在空气环境下 400℃便开始发生氧化现象,且随着温度的升高,氧化速度逐渐加快。也就是说,在稠密大气中使用,无论采用东风17那样的助推滑翔弹道,还是X-51A那样的巡航弹道。碳-碳复合材料都会和氧气发生反应,很快就把自己烧掉了。为了解决这个问题,中美科学家们都采取了很多办法。主要可以分成三种:第一种是改进材料结构,即使有所烧蚀也不会影响强度;第二种是在里面添加一些烧蚀材料,比如锆元素的化合物,温度升高的时候让它们先烧掉,保护碳-碳复合材料本身;第三种是加涂层,把氧原子挡在外面,不和碳原子反应,涂层的种类很多,包括金属、玻璃、陶瓷,等等。

碳纤维复合材料

但即使采用了各种办法,碳-碳复合材料的耐高温指标也不能让人满意。一般用在不超过2000摄氏度的情况下。多数情况下在1500~1700摄氏度下使用。这么高的温度,连钢铁也融化了。为什么还是不能满足高超声速武器的研制需求呢?这是因为速度越快,气动加热就越剧烈。如果材料耐热性能无法提升上去,就意味着高超声速导弹的使用受到巨大限制。如果在低空的稠密大气中使用,速度和射程不能进一步提高。如果要提高速度和射程,就必须把导弹推到高空稀薄大气中飞行,降低气动加热的强度,但这会导致暴露攻击意图。而且当导弹从高空俯冲下来、攻击地面目标的时候,还是要穿越稠密大气。如果这时候减速来缓解气动加热,动能杀伤效果就会大打折扣;不减速,弹体可能就烧掉了。

要想达到更高的飞行速度,就要选择另一大类热防护材料:超高温陶瓷。超高温陶瓷的种类很多,按照有关文献的数字,它们的熔点高达3000摄氏度以上,某些陶瓷在实验室中表现出了比碳-碳复合材料更优越的性能。有趣的是,陶瓷本身在高温环境下也是要氧化的,但是通过合理选择材料配方和结构,氧化层反而会保护后面的陶瓷材料,确保导弹结构稳定。

无论中美科学家,对这两种材料的优劣都是非常清楚的。实际上,美国科学家在超高温陶瓷领域一直开展广泛而深刻的研究。并且取得了相当不错的试验结果。

航天飞机的碳-碳复合材料防热瓦严重烧蚀

那么,美国国防部这次为什么还是要把碳-碳复合材料投入批产,来支持高超声速导弹的研制?答案很简单,美国的超高温陶瓷研制进度可能并不顺利。

超高温陶瓷的研制是个非常艰苦的过程,具体陶瓷配方的研制完全是个“一炉一炉扔钱”的过程。要经过漫长的尝试才能突然发现一种合用的配方,其中的很多试验几乎就是在黑暗中摸索,反复失败几乎是家常便饭了。有了配方,要想制造合格的陶瓷材料,难度也非常大。其实超高温陶瓷的制造方法和我们常用的瓷器一样,就是用高温烧制,让材料内部发生反应,达到人们想要的物理和化学性质。然而超高温陶瓷的这个指标,可比茶壶高太多了。所以,国内外每年都为此发表大量的文献,却还没有哪个机构公开宣布,自己的超高温陶瓷烧结工艺可以投入大批量生产了。

既然合适的超高温材料还没研制出来,美国军方着什么急下单呢?在报道中,巴特勒科技提到了这样一句话,这项合同将为美国提供“继续追赶乃至超越强大对手在高超声速武器方面的能力”。很显然,美国对中、俄在高超声速导弹上的领先地位非常着急,认为自己已经处在落后状态了。那么宁可采用性能低一点的材料,也要先把型号搞出来,批量装备到部队。至于超高温陶瓷的应用,等到下一代再考虑吧。

或许这里还有一个因素。在超高温陶瓷的配方选择中,锆这种金属占了很大的比重。然而,全球锆矿石的探明储量多数不在中国也不在美国。其中澳大利亚和南非分别占65.38%和17.95%。其他锆储量相对丰富国家还有印度、莫桑比克和印度尼西亚。中国和美国的锆资源储量基本相等,都仅占世界储量的0.6%,只有澳大利亚的百分之一。美国如果依靠澳大利亚的锆矿来保证高超声速导弹研制装备,就面临着海上交通线的安全问题。用碳-碳复合材料就没有这个问题了。这个问题对中国来说或许更严重,能不能保证锆资源供应,对于我们的高超声速技术发展,是个必须解决的难题。


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