遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈頭防熱設(shè)計及熱燒蝕防護(hù)

李梅

2016年3月，朝鮮公布了其遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈頭熱燒蝕試驗的情況，引發(fā)外界關(guān)注。那么，導(dǎo)彈彈頭是如何“防熱”的？這要從彈頭的基本結(jié)構(gòu)與組成談起。

導(dǎo)彈彈頭的基本結(jié)構(gòu)與組成

彈道導(dǎo)彈上的彈頭由再入體與非再入體組成。再入體由端頭、密封艙、穩(wěn)定裙組成，非再入體一般由突防艙（由于導(dǎo)彈載荷過小，朝鮮導(dǎo)彈的彈頭有可能未設(shè)計該部分）及其控制部分組成。按功能分，一般由防熱結(jié)構(gòu)、承力結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、安裝支架等組成。其中，端頭位于彈頭最前端，氣動外壓和氣動加熱最嚴(yán)重。先進(jìn)彈頭端頭還要能經(jīng)受惡劣天候或核爆塵埃粒子的侵蝕，解決這些問題是端頭防熱與結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容。端頭一般由端頭帽和端頭體組成。端頭帽是設(shè)計關(guān)鍵。數(shù)年前發(fā)生的美國戰(zhàn)略導(dǎo)彈部件誤送臺灣事件的主角就是“民兵”3導(dǎo)彈的端頭部分。

密封艙位于彈頭中部，是安裝核裝置及其引爆系統(tǒng)的部段，由于核裝置及其引爆系統(tǒng)要求在一定氣壓和溫度下工作，所在艙需設(shè)計成密封容器，一般設(shè)有隔熱層，有的還有加溫系統(tǒng)，以保持核裝置需要的較恒定溫度。

穩(wěn)定裙位于彈頭再入體后部，主要是為增大彈頭的壓力系數(shù)，從而保證彈頭在再入飛行中姿態(tài)穩(wěn)定。姿控艙主要安放控制系統(tǒng)的儀器、貯箱、發(fā)動機(jī)等。

突防艙主要用來安放突防裝置，姿控艙和突防艙一般只工作到彈頭再入之前，一旦工作任務(wù)完成，即與彈頭再入體分離自行墜毀。因此控制艙和突防艙的防熱設(shè)計僅是針對主動段氣動加熱進(jìn)行，較之再入體防熱設(shè)計要簡單。

當(dāng)攻擊目標(biāo)與導(dǎo)彈發(fā)射點確定之后，導(dǎo)彈的彈道一般是射前定好的，導(dǎo)彈在達(dá)到預(yù)定射程所需要的速度與方位之后進(jìn)行頭體分離，彈頭按自己的預(yù)定軌道飛行，穿過真空段、再入段直至命中，彈頭的技術(shù)難題幾乎均發(fā)生在再入段。

彈頭設(shè)計的基本考慮

彈道導(dǎo)彈的彈頭再入大氣層時，氣動加熱程度隨射程增加而增加。經(jīng)過多年探索與實踐，這一問題已部分解決，從目前情況看，各國解決彈頭高速再入技術(shù)難題的途徑主要有以下幾種。

優(yōu)化選擇合理外形彈頭良好的再入特性需要滿足小阻力、高穩(wěn)定性和小熱環(huán)境等要求，實際上，把彈頭做成圓球狀或球錐狀，可使彈頭的動能大部分消耗在產(chǎn)生的空氣激波上，使熱量被空氣帶走。但是這種形狀的彈頭不能滿足再入所需速度要求，穩(wěn)定性也較差，影響命中精度。工程技術(shù)人員經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，在相同的再入條件下，增大頭部半徑或減小半錐角可降低彈頭的熱流密度和總加熱量，對防熱設(shè)計有利，可使防熱層的厚度減薄，同時對內(nèi)部溫度分布也有影響，因此現(xiàn)代彈頭外形多采用小鈍頭組成的鈍錐體、鈍雙錐和組合體。而在設(shè)計上，為方便使用和生產(chǎn)、維護(hù)，彈道導(dǎo)彈常采用的彈頭形狀是帶有穩(wěn)定裙的圓錐鈍頭形。這樣既滿足了彈頭高速再入和其內(nèi)部一定容積的需要，又可以使動能減少一部分，以降低一定的總熱量。

進(jìn)行熱防護(hù)層設(shè)計即使采用合理的彈頭外形設(shè)計，彈頭高速再入時，氣動加熱仍會產(chǎn)生大量熱量，使得彈頭表面溫度升高。因此為維持彈頭再入飛行所必須具有的氣動外形，減少質(zhì)量損失，維護(hù)金屬承力結(jié)構(gòu)所必須具有的強(qiáng)度，保證內(nèi)部裝填物所需要的溫度和壓力，彈道導(dǎo)彈彈頭外表面必須設(shè)置防護(hù)層。有的彈頭還用熱傳導(dǎo)系數(shù)小、耐熱性能好的材料制成依靠熱輻射來保護(hù)彈頭裝置的外殼。此外，也有一種防熱層是利用材料的熔化和蒸發(fā)以及化學(xué)分解，消耗大量熱值來保護(hù)彈頭，即所謂的“燒蝕性保護(hù)層”，為達(dá)到防熱目的，降低彈頭內(nèi)腔的溫升，一般還會在彈頭金屬殼體內(nèi)表面設(shè)置隔熱層，以降低熱傳導(dǎo)。

進(jìn)行彈頭姿態(tài)控制由于彈頭防熱設(shè)計通常不能兼顧所有方向，因此需要彈頭飛行維持一定方向和姿態(tài)，以確保彈頭總是以最耐熱的部分向前，而且彈頭需要保持一定的流線姿態(tài)，確保飛行阻力適中。此外，彈頭可能由于結(jié)構(gòu)或制造問題，或固定的飛行姿態(tài)而導(dǎo)致某些方向燒蝕嚴(yán)重，而另一些方向燒蝕不明顯，從而造成彈頭外部失去對稱性，這在高速氣動環(huán)境中非常危險，可能造成彈頭飛行失穩(wěn)，甚至結(jié)構(gòu)崩潰或燒毀。各國解決這一問題的方法基本都是一方面設(shè)計彈頭保持固定的姿態(tài)，另一方面為彈頭設(shè)計慢速旋轉(zhuǎn)，使彈頭各方向的燒蝕均勻?qū)ΨQ，也就是準(zhǔn)確地對彈頭進(jìn)行定向和穩(wěn)定控制。為此，彈頭一般裝有相應(yīng)的控制設(shè)備，對彈頭再入飛行姿態(tài)進(jìn)行控制。最簡單的方法是在彈頭尾部裝上一個穩(wěn)定裙。它是彈體殼體的一個組成部分，但它并不承受過高的載荷，只是在彈頭穿過大氣層時，如同羽毛球上的羽毛，利用空氣的阻滯，使彈頭降低一定的速度，并調(diào)整其飛行姿態(tài)。當(dāng)然，倘若彈頭再入飛行的速度很高，僅僅依靠結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定裙是不夠的，還必須在彈頭上安裝姿控用的小火箭、制動折翼及精確的姿控系統(tǒng)等，使彈頭再入時能夠繞其相應(yīng)的彈體坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。這除了保證定向外還能保證彈頭的防熱覆蓋層燒蝕均勻，減少滾動共振，保證彈頭突防系統(tǒng)的正常工作，進(jìn)而提高命中精度。

外表進(jìn)行光滑處理國外試驗表明，彈頭殼體穿過稠密的大氣層時，彈頭外表面氣流平順和紊亂時的表面溫度有很大差別，通常會達(dá)到二百多度，而速度越高，這種差異也越大，因此盡量使彈頭外表面光潔圓滑，是減少熱傳導(dǎo)的一項有效措施。要使彈頭外表面具有良好的流線型，在設(shè)計和制造時，必須盡量避免彈頭殼體上出現(xiàn)凸起、凹坑和波紋，并保證較高的光潔度。另外，還要適當(dāng)選擇彈頭殼體與天線窗口、殼體與殼體之間的結(jié)構(gòu)材料，使之相互匹配得當(dāng)。

除上述措施外，人們還在彈頭殼體上涂以能耐極高溫度的燒蝕材料，并且在彈頭的某些部位裝填由銅、鋰、鈹及鈹?shù)难趸锏炔牧现瞥傻奈鼰釀??？傊瑥楊^防熱結(jié)構(gòu)質(zhì)量、彈頭的初始不對稱量（質(zhì)心偏移等）、燒蝕不對稱量及燒蝕溝槽、花紋、燒蝕厚度與燒蝕質(zhì)量等都對彈頭性能、彈頭總質(zhì)量、再入散布、彈頭生存能力和可靠性等指標(biāo)產(chǎn)生大影響。

如何提高抗燒蝕能力

從20世紀(jì)50年代開始研制導(dǎo)彈以來，熱防護(hù)一直是導(dǎo)彈設(shè)計的關(guān)鍵課題，因為熱防護(hù)對彈頭總體性能影響較大，防熱技術(shù)的突破甚至可以成為彈頭更新?lián)Q代的主要標(biāo)志。作為彈頭的防熱結(jié)構(gòu)，它要既能減少高溫氣流向殼體表面?zhèn)鬟f熱量，又能吸收并消散空氣對殼體傳遞的熱量，同時還要盡可能少和慢地向殼體內(nèi)部傳遞熱量，確保裝藥或儀器在正常溫度下工作。彈頭防熱技術(shù)中先后研究和發(fā)展了四種抗燒蝕方案：熱沉式、輻射隔熱式、燒蝕式和發(fā)汗冷卻式。工程上已應(yīng)用的是熱沉式、輻射隔熱式和燒蝕式。應(yīng)用最廣、效率最好的是燒蝕式，特別是對中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈彈頭，目前幾乎無例外地使用燒蝕式熱防護(hù)方法。

熱沉式防熱這是發(fā)展最早和結(jié)構(gòu)最簡單的防熱方法，它是選用熱容量大的材料來吸收和輻射彈頭氣動加熱。由于材料溫度使用上限的限制，要使熱沉材料充分發(fā)揮作用，材料必須具有較高的密度、熔化溫度、導(dǎo)熱系數(shù)和較大的比熱容，滿足這些要求的較理想材料是銅，其次是鐵。碳（石墨）在低溫或非氧化環(huán)境中亦作為熱沉材料，但更經(jīng)常作為燒蝕材料使用。熱沉式結(jié)構(gòu)多為厚壁或?qū)嵭捏w，結(jié)構(gòu)簡單，但效率低，只適用于熱流密度較低、總加熱量不高的場合，一般在近程導(dǎo)彈彈頭或局部防熱中采用。

輻射式防熱輻射式防熱主要靠防熱材料把氣動加熱輻射到空間，使再入體不吸收熱能。一般采用基體加涂層的形式，選用能耐較高溫度、密度較低的基體，具有較高輻射系數(shù)的涂層。因為基體材料輻射系數(shù)較低，一般僅0.3～0.4，不能直接使用，當(dāng)今應(yīng)用的輻射涂層，大多數(shù)輻射系數(shù)在0.7～0.9，一般取0.8就可以實現(xiàn)輻射防熱的目的。涂層一般較薄，約0.1～0.5毫米，以保持良好的粘合力和塑性，基材多選用鋁及其合金等，一般為薄壁結(jié)構(gòu)。輻射防熱只有少量熱能達(dá)到基體中，因而特別適用熱流密度較低、加熱時間長的軌道飛行器或低再入傾角的飛行器使用。

燒蝕式防熱燒蝕式防熱是利用防熱材料在受熱條件下產(chǎn)生物理化學(xué)變化，通過消耗一部分質(zhì)量（汽化、蒸發(fā)、升華、流失等），將大部分氣動加熱在表面耗掉。從近程彈道導(dǎo)彈到遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈、飛船、返回式衛(wèi)星以及低升力再入體均采用燒蝕防熱，從長時間到幾十秒時間、高氣動加熱率都能適用。有關(guān)資料表明，如果燒蝕性保護(hù)層被燒蝕的速度為每秒0.5毫米時，那么，它將有40%左右的熱量是因材料的升華而被吸收，有20%左右的熱量是由于氣體產(chǎn)物進(jìn)入邊界層而減少，其余40%左右的熱量則因在化學(xué)反應(yīng)中被吸收，或從高溫表面輻射出去。由此看出，所謂燒蝕性保護(hù)層，實際上被燒蝕的厚度并不是很大。

彈頭熱燒蝕防護(hù)要求及材料

燒蝕式放熱設(shè)計效率最好，大多數(shù)遠(yuǎn)程導(dǎo)彈都采用這種方案，但這一技術(shù)要求較高，材料使用成為關(guān)鍵問題。

彈頭熱燒蝕防護(hù)設(shè)計要求其設(shè)計要求彈頭再入體表面不僅要燒蝕量小，而且還要隔熱性能好、質(zhì)量小，在此前提下力求外形變化小。為兼顧彈頭特有功能，還需具有良好的抗核功能，能經(jīng)受高空核攔截環(huán)境，特別是具有抗X射線所引起的加熱功能。此外，在某些部位還要求具有良好的電波穿透功能，保證引信天線及遙測天線無線電波的傳輸，并在高溫下具有良好的絕緣性能。而在再入體表面燒蝕部分的材料選擇也要求具有較高的凈化度，不含或只含微量的堿土金屬雜質(zhì)，以求在再入過程中盡可能減小等離子體鞘套的電子密度和尾跡的長度，以利于減少通信中斷時間和提高突防功能（減小雷達(dá)散射截面）。除滿足這些要求外，防熱設(shè)計還必須重視材料和結(jié)構(gòu)的相容性，既要考慮彈頭各部位防熱性能的匹配，又要使防熱系統(tǒng)作為彈頭結(jié)構(gòu)的一部分，與承力結(jié)構(gòu)相匹配，使之成為一個整體。任何一個防熱設(shè)計及其所選材料都不可能兼有上述全部功能，彈頭各部位環(huán)境不同，要求的功能也不同，必須根據(jù)不同部位的特點，權(quán)衡利弊在滿足主要要求的前提下進(jìn)行優(yōu)化。

彈頭熱防護(hù)燒蝕材料選擇彈頭熱燒蝕防護(hù)的關(guān)鍵是選擇燒蝕材料，這種材料不但是承力結(jié)構(gòu)的一部分，而且要利用自身的消耗帶走大量熱量，保護(hù)內(nèi)部承力結(jié)構(gòu)和核裝置。在不同的熱環(huán)境下，燒蝕過程中的各種物理化學(xué)效應(yīng)對防熱所做的貢獻(xiàn)各不相同，因此，沒有一種材料在任何環(huán)境中其燒蝕性能是絕對優(yōu)越的。也就是說不同的防熱材料適用不同的環(huán)境，或者說不同的熱環(huán)境要選用不同的防熱材料。例如，碳基材料是利用碳的高升華熱和高的表面熱輻射特性，如果加熱環(huán)境不足以使其表面達(dá)到升華溫度，反而會因表面碳的燒蝕增加向材料內(nèi)部傳遞的熱量，使熱影響區(qū)加大，防隔熱效率大大下降。同樣，硅基材料如不能使其表面形成液態(tài)層，也就無法充分利用它的融熔和蒸發(fā)的熱效率，只能當(dāng)作隔熱材料使用，不能作到物盡其用。導(dǎo)彈的射程不同，飛行彈道不同，在飛行過程中，彈頭的不同部位將分別出現(xiàn)不同的加熱環(huán)境，防熱設(shè)計必須針對不同加熱條件采取不同措施。

根據(jù)燒蝕機(jī)理和燒蝕特征，燒蝕材料可以分成四類：一是碳化塑料燒蝕材料，單基塑料或是以有機(jī)材料（滌綸等）增強(qiáng)的或是以無機(jī)材料（玻璃、石英、碳、金屬等）增強(qiáng)的塑料；二是熱塑性燒蝕材料，諸如泰氟?。ň鬯姆蚁?，在燒蝕過程中直接升華成氣體；三是耐高溫氧化物燒蝕材料，諸如石英，暴露于高溫、高熱流下時，發(fā)生軟化、熔融、蒸發(fā)，并能在氣體沖刷下發(fā)生流動；四是耐高溫陶瓷燒蝕材料，諸如石墨，燒蝕過程中是氧化和升華過程起作用，這類材料抗熱性較好，但可塑性差，加工復(fù)雜，且部件不能過大，因此多在最關(guān)鍵的端頭部分使用。

各國都是根據(jù)各自的工業(yè)技術(shù)能力和需要選擇不同的熱燒蝕防護(hù)材料。例如，美國潛射“北極星”導(dǎo)彈彈頭殼體由精密的玻璃鋼布纏繞而成，彈頭整流罩部位則用二氧化硅帶與苯酚醛樹脂纏繞，這些精密技術(shù)至今仍只有少數(shù)國家掌握。印度的“烈火”3/4/5導(dǎo)彈的彈頭防熱材料曾長期困擾科研人員，造成研制一拖再拖，它們的彈頭都采用了燒蝕型碳纖維材料，但印度還無法生產(chǎn)這種復(fù)合材料，進(jìn)口又受到導(dǎo)彈技術(shù)控制協(xié)定禁止，只能通過走私獲得，這使得印度“烈火”系列導(dǎo)彈進(jìn)展緩慢。