导弹弹头防热材料初探
摘要：本文回顾了导弹弹头防热设计的途径及防热材料的发展，介绍了防热材料原材料和成型工艺的选择、以及防热材料的性能要求和验收方法，提出了防热材料发展的初步设想。
1 前言
导弹以极高的马赫数再气层时，遇到了苛刻的气动加热，为了确保导弹不被烧毁，历来在飞行器设计时就把导弹弹头防热设计作为一个重要部分，防热材料是防热设计的基础。随着科学技术的发展，导弹弹头除了要经受气动热和气动力的考验外，还要经受核爆炸、激光武器、动能武器、粒子云环境等的考验，这些都给设计者提出了新的挑战，同时对防热材料也有了新的功能要求。
2 导弹弹头防热设计的途径及防热材料的发展
为使导弹克服热障顺利地摧毁目标，导弹弹头防热设计途径先是结构简单而笨重的热沉式，由于吸热量不够大，且须在牺牲再入速度、命中精度和有效载荷的前提下达到防热目的，故很快被结构简单，重量轻、防热效果好的烧蚀式所代替，这也是目前主要的防热方案。但是烧蚀式的缺点是烧蚀外形和重量变化大，影响再人的稳定性和命中精度。因此，又有一部分设计者提出发汗冷却设计方案，从理论上讲，它是解决防热的一个理想的方法，但它也有技术复杂、难度大等一系列的问题，虽然研究工作从未中断过，但到目前为止，还没有一套完善的设计计算方法及地面试验技术，且还未在任何弹头上实际应用过，目前仍处于研究阶段。
防热材料的发展是防热设计的基础。热沉式设计采用铜、铍、钨等金属作为防热材料；烧蚀式设计传统上采用硅基纤维纱（玻璃纤维纱、高硅氧纤维纱）增强酚醛塑料和硅基纤维布（玻璃纤维布、高硅氧纤维布），增强酚醛塑料作为防热材料，目前发展到采用更耐烧蚀的碳基材料（碳酚醛、碳-碳）作为防热材料；发汗冷却设计的防热材料的研制也在进行中。
3 原材料的选择[-page-]
在实际工程应用中，防热设计主要采用的是烧蚀式设计。按防热材料烧蚀作用机制的不同，可将防热材料分为熔化型、碳化型和升华型三种类型。熔化型防热材料主要是利用材料在高温下熔化吸收热量，并进一步利用形成的熔融液态层来阻塞热流，其代表性材料是石英和玻璃类材料；碳化型防热材料主要是利用高分子材料在高温下碳化吸收热量，并进一步利用形成的碳化层辐射散热和阻塞热流，其代表性材料是以酚醛树脂为基体的防热材料；升华型防热材料主要是利用材料在高温下升华气化吸收热能，其代表性材料是石墨和碳/碳复合材料。
按防热材料基体的不同，可将防热材料分为树脂基、碳基和陶瓷基三类。树脂基防热材料主要有玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛和碳／酚醛复合材料。其中玻璃／酚醛和高硅氧／酚醛属于碳化一熔化型防热材料，适用于中等焓值和中等热流的工作环境，碳/酚醛属于碳化-升华型防热材料，适用于能发挥升华效应的较高焓值和较高热流的工作环境；碳基防热材料主要有碳/碳复合材料，属于升华型防热材料，适用于高焓、高热流的严峻环境。但若将其用于焓值和热流都不高的工作环境，升华效应得不到发挥，成为单纯的氧化燃烧，也达不到预期的防热效果；陶瓷基防热材料应用于弹头上的有碳/石英复合材料，属于熔化-升华型防热材料，石英材料具有优良的耐高温性能，其脆性和抗热震性能的不足，由碳纤维增强的方式予以弥补。对于导弹弹头不同的防热要求，我们可通过选择不同的防热材料来满足。
4 成型工艺的选择
在导弹弹头热防护工程应用中，防热技术是一个极为重要的课题，它一般可分为端头防热技术、防热层防热技术和底部防热技术。端头、防热层和底部在再入时经受的热流值分别为105 kW/m2，103~104kW/m2，102kW/m2，笔者长期从事导弹弹头防热部件的生产线，就端头、防热层和底部防热部位的不同分别介绍其常用的成型工艺。
图1所示为一典型的弹头结构示意图。
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（1）端头
作为弹头防热的前端的产品一端头，作为在再入大气层时经受的热流值高（105 kW/m2）的防热部件，端头对烧蚀性能的要求高。初的热沉式端头采用难熔金属材料铜、铍、钨、钼、铌及其合金，并在金属表面涂敷高温抗氧化防护涂层（如MoSi2、NAA85, Si-20Cr-20Fe等）。由于热沉式端头比重大、热膨胀系数大，使用温度受限制等原因，目前已不再采用。发汗冷却式端头目前仍处于研究阶段，还未在任何弹头上实际应用过。目前采用的烧蚀式端头主要包括短纤维模压工艺成型的高硅氧／酚醛端头、手糊模压工艺成型的无碱布／环氧酚醛端头和碳纤维三维织物高压液相浸渍沥青成型的碳/碳端头等。烧蚀式端头的性能对比见表1。
（2）防热层[-page-]
防热层在再入时经受的热流值为103~104 kW/m2，对烧蚀性能的要求略低于端头，采用布带缠绕工艺成型即可满足要求。布带缠绕分为平行、重叠、斜缠三种方式。平行缠绕适合于圆柱形制品，此类产品较少，常见的是锥形和特型曲面制品，主要应用重叠和斜缠工艺。所用材料体系有玻璃布/酚醛、高硅氧布/酚醛、碳布/酚醛等。布带缠绕成型制品性能对比见表2。
（3）底部[-page-]
底部在再入时经受的热流值为102 kW/m2，对烧蚀性能的要求低。采用层压工艺成型即可满足要求。底部防热所用材料体系有玻璃布/酚醛、高硅氧布/酚醛、碳布/酚醛等。层压工艺成型制品性能对比见表3。
5 防热材料性能要求
导弹在再入大气层时，表面要求承受极高的温度、较高的外压力、较大的载荷，要能适应这样的环境，对防热材料的性能要求是苛刻的。对防热材料的性能要求与使用部位有关，对用于某些部位的防热材料，不但要求有室温条件下的性能测试数据，而且要求有低温（-40℃），高温（260℃）和极高温( 3500℃）条件下的性能测试数据。对防热材料的性能要求包括以下六个方面：[-page-]
（1）力学性能
拉伸强度、拉伸模量、断裂应变、泊松比、弯曲强度、弯曲模量、压缩强度、压缩模量、剪切强度、剪切模量等。
（2）物理性能
密度、导热系数、导温系数、热膨胀系数、辐射系数、吸收系数等。
（3）化学性能
化学元素的含量（特别是碱金属的含量）、耐酸、碱、盐介质腐蚀的性能、热化学性能（熔化热、气化热、蒸汽压）等。
（4）电性能
介电常数、介电损耗角、表面电阻、击穿电压等。
（5）烧蚀性能
在特定的试验条件下，测定材料的线烧蚀性能和重量烧蚀率、热震性能等。
（6）材料的贮存寿命
要求提供在指定的温度、湿度、介质浓度条件下，材料允许使用的期限。
上述的各项性能测试数据不是每一种防热材料都必须具备的，可根据导弹不同部位对所用防热材料性能要求的不同而有所不同，但是作为防热材料，烧蚀性能测试数据是必不可少的。
6 防热材料的验收
基于防热材料就是防热产品的材料、结构统一性的特点，对防热材料的验收就是对防热产品的验收。为了确保导弹飞行的安全和可靠，必须提供合格的防热产品，应提供该产品要求提供的性能测试数据和制作过程中工艺稳定的情况。
产品的检验可分为两种：一种为破坏性检验（抽样检验），另一种为非破坏性检验。两种检验互相补充，缺一不可。采用两种检验相结合的方法对产品进行验收。破坏性检验（抽样检验）具体检验方法是在已成型的产品上取工艺薄弱部位作为检验区，进行破坏性检验，破坏性检验项目包括力学性能、物理性能北学性能、电性能、烧蚀性能测试等。非破坏性检验项目包括外观检验、外形尺寸检验、超声探伤以及X光探伤等。在这些检验项目中，烧蚀检验的结果是判断产品是否合格的关键指标，烧蚀性能没有达到指标，其他性能再好也不能作为合格防热产品。
7 防热材料展望
导弹发展的趋势是小型化、轻重量、少烧蚀、抗拦击、全天候，相应地对防热材料的研究也朝着少烧蚀、低导热、低密度、高强度、多功能（抗核爆、抗激光武器、抗动能武器、抗侵蚀、消除通讯中断等）等方向发展。笔者认为主要应从以下几方面开展防热材料研究工作：新型碳碳复合材料、多功能复合材料、纤维增强陶瓷材料、柔性防热材料、自适应发汗冷却材料。
国外关于防热系统的方案日新月异、结构层出不穷、材料发展迅速，我国应借鉴国外经验教训，大力发展上述各种防热材料，满足防热系统设计要求，使新型的导弹能赶上先进水平。
1 前言
导弹以极高的马赫数再气层时，遇到了苛刻的气动加热，为了确保导弹不被烧毁，历来在飞行器设计时就把导弹弹头防热设计作为一个重要部分，防热材料是防热设计的基础。随着科学技术的发展，导弹弹头除了要经受气动热和气动力的考验外，还要经受核爆炸、激光武器、动能武器、粒子云环境等的考验，这些都给设计者提出了新的挑战，同时对防热材料也有了新的功能要求。
2 导弹弹头防热设计的途径及防热材料的发展
为使导弹克服热障顺利地摧毁目标，导弹弹头防热设计途径先是结构简单而笨重的热沉式，由于吸热量不够大，且须在牺牲再入速度、命中精度和有效载荷的前提下达到防热目的，故很快被结构简单，重量轻、防热效果好的烧蚀式所代替，这也是目前主要的防热方案。但是烧蚀式的缺点是烧蚀外形和重量变化大，影响再人的稳定性和命中精度。因此，又有一部分设计者提出发汗冷却设计方案，从理论上讲，它是解决防热的一个理想的方法，但它也有技术复杂、难度大等一系列的问题，虽然研究工作从未中断过，但到目前为止，还没有一套完善的设计计算方法及地面试验技术，且还未在任何弹头上实际应用过，目前仍处于研究阶段。
防热材料的发展是防热设计的基础。热沉式设计采用铜、铍、钨等金属作为防热材料；烧蚀式设计传统上采用硅基纤维纱（玻璃纤维纱、高硅氧纤维纱）增强酚醛塑料和硅基纤维布（玻璃纤维布、高硅氧纤维布），增强酚醛塑料作为防热材料，目前发展到采用更耐烧蚀的碳基材料（碳酚醛、碳-碳）作为防热材料；发汗冷却设计的防热材料的研制也在进行中。
3 原材料的选择[-page-]
在实际工程应用中，防热设计主要采用的是烧蚀式设计。按防热材料烧蚀作用机制的不同，可将防热材料分为熔化型、碳化型和升华型三种类型。熔化型防热材料主要是利用材料在高温下熔化吸收热量，并进一步利用形成的熔融液态层来阻塞热流，其代表性材料是石英和玻璃类材料；碳化型防热材料主要是利用高分子材料在高温下碳化吸收热量，并进一步利用形成的碳化层辐射散热和阻塞热流，其代表性材料是以酚醛树脂为基体的防热材料；升华型防热材料主要是利用材料在高温下升华气化吸收热能，其代表性材料是石墨和碳/碳复合材料。
按防热材料基体的不同，可将防热材料分为树脂基、碳基和陶瓷基三类。树脂基防热材料主要有玻璃／酚醛、高硅氧／酚醛和碳／酚醛复合材料。其中玻璃／酚醛和高硅氧／酚醛属于碳化一熔化型防热材料，适用于中等焓值和中等热流的工作环境，碳/酚醛属于碳化-升华型防热材料，适用于能发挥升华效应的较高焓值和较高热流的工作环境；碳基防热材料主要有碳/碳复合材料，属于升华型防热材料，适用于高焓、高热流的严峻环境。但若将其用于焓值和热流都不高的工作环境，升华效应得不到发挥，成为单纯的氧化燃烧，也达不到预期的防热效果；陶瓷基防热材料应用于弹头上的有碳/石英复合材料，属于熔化-升华型防热材料，石英材料具有优良的耐高温性能，其脆性和抗热震性能的不足，由碳纤维增强的方式予以弥补。对于导弹弹头不同的防热要求，我们可通过选择不同的防热材料来满足。
4 成型工艺的选择
在导弹弹头热防护工程应用中，防热技术是一个极为重要的课题，它一般可分为端头防热技术、防热层防热技术和底部防热技术。端头、防热层和底部在再入时经受的热流值分别为105 kW/m2，103~104kW/m2，102kW/m2，笔者长期从事导弹弹头防热部件的生产线，就端头、防热层和底部防热部位的不同分别介绍其常用的成型工艺。
图1所示为一典型的弹头结构示意图。
[-page-] （1）端头
作为弹头防热的前端的产品一端头，作为在再入大气层时经受的热流值高（105 kW/m2）的防热部件，端头对烧蚀性能的要求高。初的热沉式端头采用难熔金属材料铜、铍、钨、钼、铌及其合金，并在金属表面涂敷高温抗氧化防护涂层（如MoSi2、NAA85, Si-20Cr-20Fe等）。由于热沉式端头比重大、热膨胀系数大，使用温度受限制等原因，目前已不再采用。发汗冷却式端头目前仍处于研究阶段，还未在任何弹头上实际应用过。目前采用的烧蚀式端头主要包括短纤维模压工艺成型的高硅氧／酚醛端头、手糊模压工艺成型的无碱布／环氧酚醛端头和碳纤维三维织物高压液相浸渍沥青成型的碳/碳端头等。烧蚀式端头的性能对比见表1。
（2）防热层[-page-]
防热层在再入时经受的热流值为103~104 kW/m2，对烧蚀性能的要求略低于端头，采用布带缠绕工艺成型即可满足要求。布带缠绕分为平行、重叠、斜缠三种方式。平行缠绕适合于圆柱形制品，此类产品较少，常见的是锥形和特型曲面制品，主要应用重叠和斜缠工艺。所用材料体系有玻璃布/酚醛、高硅氧布/酚醛、碳布/酚醛等。布带缠绕成型制品性能对比见表2。
（3）底部[-page-]
底部在再入时经受的热流值为102 kW/m2，对烧蚀性能的要求低。采用层压工艺成型即可满足要求。底部防热所用材料体系有玻璃布/酚醛、高硅氧布/酚醛、碳布/酚醛等。层压工艺成型制品性能对比见表3。
5 防热材料性能要求
导弹在再入大气层时，表面要求承受极高的温度、较高的外压力、较大的载荷，要能适应这样的环境，对防热材料的性能要求是苛刻的。对防热材料的性能要求与使用部位有关，对用于某些部位的防热材料，不但要求有室温条件下的性能测试数据，而且要求有低温（-40℃），高温（260℃）和极高温( 3500℃）条件下的性能测试数据。对防热材料的性能要求包括以下六个方面：[-page-]
（1）力学性能
拉伸强度、拉伸模量、断裂应变、泊松比、弯曲强度、弯曲模量、压缩强度、压缩模量、剪切强度、剪切模量等。
（2）物理性能
密度、导热系数、导温系数、热膨胀系数、辐射系数、吸收系数等。
（3）化学性能
化学元素的含量（特别是碱金属的含量）、耐酸、碱、盐介质腐蚀的性能、热化学性能（熔化热、气化热、蒸汽压）等。
（4）电性能
介电常数、介电损耗角、表面电阻、击穿电压等。
（5）烧蚀性能
在特定的试验条件下，测定材料的线烧蚀性能和重量烧蚀率、热震性能等。
（6）材料的贮存寿命
要求提供在指定的温度、湿度、介质浓度条件下，材料允许使用的期限。
上述的各项性能测试数据不是每一种防热材料都必须具备的，可根据导弹不同部位对所用防热材料性能要求的不同而有所不同，但是作为防热材料，烧蚀性能测试数据是必不可少的。
6 防热材料的验收
基于防热材料就是防热产品的材料、结构统一性的特点，对防热材料的验收就是对防热产品的验收。为了确保导弹飞行的安全和可靠，必须提供合格的防热产品，应提供该产品要求提供的性能测试数据和制作过程中工艺稳定的情况。
产品的检验可分为两种：一种为破坏性检验（抽样检验），另一种为非破坏性检验。两种检验互相补充，缺一不可。采用两种检验相结合的方法对产品进行验收。破坏性检验（抽样检验）具体检验方法是在已成型的产品上取工艺薄弱部位作为检验区，进行破坏性检验，破坏性检验项目包括力学性能、物理性能北学性能、电性能、烧蚀性能测试等。非破坏性检验项目包括外观检验、外形尺寸检验、超声探伤以及X光探伤等。在这些检验项目中，烧蚀检验的结果是判断产品是否合格的关键指标，烧蚀性能没有达到指标，其他性能再好也不能作为合格防热产品。
7 防热材料展望
导弹发展的趋势是小型化、轻重量、少烧蚀、抗拦击、全天候，相应地对防热材料的研究也朝着少烧蚀、低导热、低密度、高强度、多功能（抗核爆、抗激光武器、抗动能武器、抗侵蚀、消除通讯中断等）等方向发展。笔者认为主要应从以下几方面开展防热材料研究工作：新型碳碳复合材料、多功能复合材料、纤维增强陶瓷材料、柔性防热材料、自适应发汗冷却材料。
国外关于防热系统的方案日新月异、结构层出不穷、材料发展迅速，我国应借鉴国外经验教训，大力发展上述各种防热材料，满足防热系统设计要求，使新型的导弹能赶上先进水平。
