遠程導彈彈頭防熱設計及熱燒蝕防護

李梅

2016年3月，朝鮮公布了其遠程導彈彈頭熱燒蝕試驗的情況，引發外界關注。那么，導彈彈頭是如何“防熱”的？這要從彈頭的基本結構與組成談起。

導彈彈頭的基本結構與組成

彈道導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、穩定裙組成，非再入體一般由突防艙（由于導彈載荷過小，朝鮮導彈的彈頭有可能未設計該部分）及其控制部分組成。按功能分，一般由防熱結構、承力結構、連接結構、密封結構、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重。先進彈頭端頭還要能經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構設計的主要內容。端頭一般由端頭帽和端頭體組成。端頭帽是設計關鍵。數年前發生的美國戰略導彈部件誤送臺灣事件的主角就是“民兵”3導彈的端頭部分。

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

穩定裙位于彈頭再入體后部，主要是為增大彈頭的壓力系數，從而保證彈頭在再入飛行中姿態穩定。姿控艙主要安放控制系統的儀器、貯箱、發動機等。

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計僅是針對主動段氣動加熱進行，較之再入體防熱設計要簡單。

當攻擊目標與導彈發射點確定之后，導彈的彈道一般是射前定好的，導彈在達到預定射程所需要的速度與方位之后進行頭體分離，彈頭按自己的預定軌道飛行，穿過真空段、再入段直至命中，彈頭的技術難題幾乎均發生在再入段。

彈頭設計的基本考慮

彈道導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難題的途徑主要有以下幾種。

優化選擇合理外形彈頭良好的再入特性需要滿足小阻力、高穩定性和小熱環境等要求，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，穩定性也較差，影響命中精度。工程技術人員經過試驗發現，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，對防熱設計有利，可使防熱層的厚度減薄，同時對內部溫度分布也有影響，因此現代彈頭外形多采用小鈍頭組成的鈍錐體、鈍雙錐和組合體。而在設計上，為方便使用和生產、維護，彈道導彈常采用的彈頭形狀是帶有穩定裙的圓錐鈍頭形。這樣既滿足了彈頭高速再入和其內部一定容積的需要，又可以使動能減少一部分，以降低一定的總熱量。

進行熱防護層設計即使采用合理的彈頭外形設計，彈頭高速再入時，氣動加熱仍會產生大量熱量，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，減少質量損失，維護金屬承力結構所必須具有的強度，保證內部裝填物所需要的溫度和壓力，彈道導彈彈頭外表面必須設置防護層。有的彈頭還用熱傳導系數小、耐熱性能好的材料制成依靠熱輻射來保護彈頭裝置的外殼。此外，也有一種防熱層是利用材料的熔化和蒸發以及化學分解，消耗大量熱值來保護彈頭，即所謂的“燒蝕性保護層”，為達到防熱目的，降低彈頭內腔的溫升，一般還會在彈頭金屬殼體內表面設置隔熱層，以降低熱傳導。

進行彈頭姿態控制由于彈頭防熱設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，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，確保飛行阻力適中。此外，彈頭可能由于結構或制造問題，或固定的飛行姿態而導致某些方向燒蝕嚴重，而另一些方向燒蝕不明顯，從而造成彈頭外部失去對稱性，這在高速氣動環境中非常危險，可能造成彈頭飛行失穩，甚至結構崩潰或燒毀。各國解決這一問題的方法基本都是一方面設計彈頭保持固定的姿態，另一方面為彈頭設計慢速旋轉，使彈頭各方向的燒蝕均勻對稱，也就是準確地對彈頭進行定向和穩定控制。為此，彈頭一般裝有相應的控制設備，對彈頭再入飛行姿態進行控制。最簡單的方法是在彈頭尾部裝上一個穩定裙。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，并調整其飛行姿態。當然，倘若彈頭再入飛行的速度很高，僅僅依靠結構上的穩定裙是不夠的，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等，使彈頭再入時能夠繞其相應的彈體坐標旋轉。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，保證彈頭突防系統的正常工作，進而提高命中精度。

外表進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，是減少熱傳導的一項有效措施。要使彈頭外表面具有良好的流線型，在設計和制造時，必須盡量避免彈頭殼體上出現凸起、凹坑和波紋，并保證較高的光潔度。另外，還要適當選擇彈頭殼體與天線窗口、殼體與殼體之間的結構材料，使之相互匹配得當。

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、鈹及鈹的氧化物等材料制成的吸熱劑。總之，彈頭防熱結構質量、彈頭的初始不對稱量（質心偏移等）、燒蝕不對稱量及燒蝕溝槽、花紋、燒蝕厚度與燒蝕質量等都對彈頭性能、彈頭總質量、再入散布、彈頭生存能力和可靠性等指標產生大影響。

如何提高抗燒蝕能力

從20世紀50年代開始研制導彈以來，熱防護一直是導彈設計的關鍵課題，因為熱防護對彈頭總體性能影響較大，防熱技術的突破甚至可以成為彈頭更新換代的主要標志。作為彈頭的防熱結構，它要既能減少高溫氣流向殼體表面傳遞熱量，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。彈頭防熱技術中先后研究和發展了四種抗燒蝕方案：熱沉式、輻射隔熱式、燒蝕式和發汗冷卻式。工程上已應用的是熱沉式、輻射隔熱式和燒蝕式。應用最廣、效率最好的是燒蝕式，特別是對中遠程導彈彈頭，目前幾乎無例外地使用燒蝕式熱防護方法。

熱沉式防熱這是發展最早和結構最簡單的防熱方法，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揮作用，材料必須具有較高的密度、熔化溫度、導熱系數和較大的比熱容，滿足這些要求的較理想材料是銅，其次是鐵。碳（石墨）在低溫或非氧化環境中亦作為熱沉材料，但更經常作為燒蝕材料使用。熱沉式結構多為厚壁或實心體，結構簡單，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，具有較高輻射系數的涂層。因為基體材料輻射系數較低，一般僅0.3～0.4，不能直接使用，當今應用的輻射涂層，大多數輻射系數在0.7～0.9，一般取0.8就可以實現輻射防熱的目的。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，一般為薄壁結構。輻射防熱只有少量熱能達到基體中，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生物理化學變化，通過消耗一部分質量（汽化、蒸發、升華、流失等），將大部分氣動加熱在表面耗掉。從近程彈道導彈到遠程彈道導彈、飛船、返回式衛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。有關資料表明，如果燒蝕性保護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物進入邊界層而減少，其余40%左右的熱量則因在化學反應中被吸收，或從高溫表面輻射出去。由此看出，所謂燒蝕性保護層，實際上被燒蝕的厚度并不是很大。

彈頭熱燒蝕防護要求及材料

燒蝕式放熱設計效率最好，大多數遠程導彈都采用這種方案，但這一技術要求較高，材料使用成為關鍵問題。

彈頭熱燒蝕防護設計要求其設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，能經受高空核攔截環境，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，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（減小雷達散射截面）。除滿足這些要求外，防熱設計還必須重視材料和結構的相容性，既要考慮彈頭各部位防熱性能的匹配，又要使防熱系統作為彈頭結構的一部分，與承力結構相匹配，使之成為一個整體。任何一個防熱設計及其所選材料都不可能兼有上述全部功能，彈頭各部位環境不同，要求的功能也不同，必須根據不同部位的特點，權衡利弊在滿足主要要求的前提下進行優化。

彈頭熱防護燒蝕材料選擇彈頭熱燒蝕防護的關鍵是選擇燒蝕材料，這種材料不但是承力結構的一部分，而且要利用自身的消耗帶走大量熱量，保護內部承力結構和核裝置。在不同的熱環境下，燒蝕過程中的各種物理化學效應對防熱所做的貢獻各不相同，因此，沒有一種材料在任何環境中其燒蝕性能是絕對優越的。也就是說不同的防熱材料適用不同的環境，或者說不同的熱環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，如果加熱環境不足以使其表面達到升華溫度，反而會因表面碳的燒蝕增加向材料內部傳遞的熱量，使熱影響區加大，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層，也就無法充分利用它的融熔和蒸發的熱效率，只能當作隔熱材料使用，不能作到物盡其用。導彈的射程不同，飛行彈道不同，在飛行過程中，彈頭的不同部位將分別出現不同的加熱環境，防熱設計必須針對不同加熱條件采取不同措施。

根據燒蝕機理和燒蝕特征，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材料（滌綸等）增強的或是以無機材料（玻璃、石英、碳、金屬等）增強的塑料；二是熱塑性燒蝕材料，諸如泰氟隆（聚四氟乙烯），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，發生軟化、熔融、蒸發，并能在氣體沖刷下發生流動；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，加工復雜，且部件不能過大，因此多在最關鍵的端頭部分使用。

各國都是根據各自的工業技術能力和需要選擇不同的熱燒蝕防護材料。例如，美國潛射“北極星”導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，這些精密技術至今仍只有少數國家掌握。印度的“烈火”3/4/5導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，但印度還無法生產這種復合材料，進口又受到導彈技術控制協定禁止，只能通過走私獲得，這使得印度“烈火”系列導彈進展緩慢。