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      一份復合材料合同,暴露出美國高超聲速導彈研制可能遇到了挫折

      更新于:2020-11-17   來源:環球時報   點擊:812次

      11月13日,一家名叫巴特勒科技的美國企業獲得了美國國防部4630萬美元的合同,研制一種高超聲速下的熱防護材料。合同的名字叫做“用于高超聲速的碳-碳復合材料制造”。這份合同的授予,讓人多少感覺有點不對味。

      碳-碳復合材料是人們所熟悉的宇航防熱材料,而熱防護系統是航空宇航領域中當仁不讓的關鍵技術之一,特別是到了高超聲速階段。世界上沒有多少材料可以耐受高超聲速武器飛行時產生的氣動加熱,而不變形、燒蝕乃至解體。無論航天飛機還是X-37B,用的都是碳-碳復合材料隔熱瓦。美國新一代載人飛船“獵戶座”也打算采用同樣的防熱材料。如今把它用在高超聲速武器上,聽起來似乎也很合理。

      但是,碳-碳復合材料是最好的嗎?顯然不是。

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      研制中的美國高超聲速導彈

      按照哈爾濱工業大學有關專家的論文,碳-碳復合材料在惰性氣氛保護環境下具有優異的高溫力學性能,但由于碳元素特殊的性質,它在空氣環境下 400℃便開始發生氧化現象,且隨著溫度的升高,氧化速度逐漸加快。也就是說,在稠密大氣中使用,無論采用東風17那樣的助推滑翔彈道,還是X-51A那樣的巡航彈道。碳-碳復合材料都會和氧氣發生反應,很快就把自己燒掉了。為了解決這個問題,中美科學家們都采取了很多辦法。主要可以分成三種:第一種是改進材料結構,即使有所燒蝕也不會影響強度;第二種是在里面添加一些燒蝕材料,比如鋯元素的化合物,溫度升高的時候讓它們先燒掉,保護碳-碳復合材料本身;第三種是加涂層,把氧原子擋在外面,不和碳原子反應,涂層的種類很多,包括金屬、玻璃、陶瓷,等等。

      碳纖維復合材料

      但即使采用了各種辦法,碳-碳復合材料的耐高溫指標也不能讓人滿意。一般用在不超過2000攝氏度的情況下。多數情況下在1500~1700攝氏度下使用。這么高的溫度,連鋼鐵也融化了。為什么還是不能滿足高超聲速武器的研制需求呢?這是因為速度越快,氣動加熱就越劇烈。如果材料耐熱性能無法提升上去,就意味著高超聲速導彈的使用受到巨大限制。如果在低空的稠密大氣中使用,速度和射程不能進一步提高。如果要提高速度和射程,就必須把導彈推到高空稀薄大氣中飛行,降低氣動加熱的強度,但這會導致暴露攻擊意圖。而且當導彈從高空俯沖下來、攻擊地面目標的時候,還是要穿越稠密大氣。如果這時候減速來緩解氣動加熱,動能殺傷效果就會大打折扣;不減速,彈體可能就燒掉了。

      要想達到更高的飛行速度,就要選擇另一大類熱防護材料:超高溫陶瓷。超高溫陶瓷的種類很多,按照有關文獻的數字,它們的熔點高達3000攝氏度以上,某些陶瓷在實驗室中表現出了比碳-碳復合材料更優越的性能。有趣的是,陶瓷本身在高溫環境下也是要氧化的,但是通過合理選擇材料配方和結構,氧化層反而會保護后面的陶瓷材料,確保導彈結構穩定。

      無論中美科學家,對這兩種材料的優劣都是非常清楚的。實際上,美國科學家在超高溫陶瓷領域一直開展廣泛而深刻的研究。并且取得了相當不錯的試驗結果。

      航天飛機的碳-碳復合材料防熱瓦嚴重燒蝕

      那么,美國國防部這次為什么還是要把碳-碳復合材料投入批產,來支持高超聲速導彈的研制?答案很簡單,美國的超高溫陶瓷研制進度可能并不順利。

      超高溫陶瓷的研制是個非常艱苦的過程,具體陶瓷配方的研制完全是個“一爐一爐扔錢”的過程。要經過漫長的嘗試才能突然發現一種合用的配方,其中的很多試驗幾乎就是在黑暗中摸索,反復失敗幾乎是家常便飯了。有了配方,要想制造合格的陶瓷材料,難度也非常大。其實超高溫陶瓷的制造方法和我們常用的瓷器一樣,就是用高溫燒制,讓材料內部發生反應,達到人們想要的物理和化學性質。然而超高溫陶瓷的這個指標,可比茶壺高太多了。所以,國內外每年都為此發表大量的文獻,卻還沒有哪個機構公開宣布,自己的超高溫陶瓷燒結工藝可以投入大批量生產了。

      既然合適的超高溫材料還沒研制出來,美國軍方著什么急下單呢?在報道中,巴特勒科技提到了這樣一句話,這項合同將為美國提供“繼續追趕乃至超越強大對手在高超聲速武器方面的能力”。很顯然,美國對中、俄在高超聲速導彈上的領先地位非常著急,認為自己已經處在落后狀態了。那么寧可采用性能低一點的材料,也要先把型號搞出來,批量裝備到部隊。至于超高溫陶瓷的應用,等到下一代再考慮吧。

      或許這里還有一個因素。在超高溫陶瓷的配方選擇中,鋯這種金屬占了很大的比重。然而,全球鋯礦石的探明儲量多數不在中國也不在美國。其中澳大利亞和南非分別占65.38%和17.95%。其他鋯儲量相對豐富國家還有印度、莫桑比克和印度尼西亞。中國和美國的鋯資源儲量基本相等,都僅占世界儲量的0.6%,只有澳大利亞的百分之一。美國如果依靠澳大利亞的鋯礦來保證高超聲速導彈研制裝備,就面臨著海上交通線的安全問題。用碳-碳復合材料就沒有這個問題了。這個問題對中國來說或許更嚴重,能不能保證鋯資源供應,對于我們的高超聲速技術發展,是個必須解決的難題。


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