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        燒蝕材料:飛行器的“保護(hù)傘”

        2022-06-02 13:11:33龔仕辰張育新
        科學(xué)Fans 2022年5期

        龔仕辰 張育新

        我們知道,火箭、航天飛機在返回地球的時候,由于燃料不足以將飛行器從一個很高的速度(約7.7km/s)降到一個很低的速度,所以只能通過地球表面稠密的大氣層來減速。大氣層通過摩擦“拽住”飛行器達(dá)到減速的目的,而如此高速的情況下,摩擦?xí)a(chǎn)生巨大的熱量使飛行器表面溫度迅速升高至幾千甚至上萬攝氏度。如果沒有保護(hù),那么飛行器就會瞬間化作一團(tuán)火焰而“灰飛煙滅”。例如美國的“哥倫比亞”號航天飛機在返回的過程中,飛機的隔熱瓦受損,返回途中飛機爆炸,飛機上的7 人全部遇難。

        我們熟知的火箭表面的“保護(hù)傘”,就是燒蝕材料。燒蝕材料具有汽化熱大、比熱容大、絕熱性好、向外界輻射熱量功能強的特點。當(dāng)火箭穿過大氣層時,燒蝕材料會發(fā)生分解、融化、蒸發(fā)、升華等多種吸熱的物理化學(xué)變化,借助材料自身的質(zhì)量消耗帶走大量熱量,從而防止火箭在返回途中被燒毀,保證了火箭的安全著陸和宇航員們的生命安全。

        不僅火箭外部需要用到燒蝕材料,火箭內(nèi)的發(fā)動機內(nèi)壁也同樣需要。因為固體火箭發(fā)動機的內(nèi)部長時間在高溫高壓的環(huán)境下工作,需要在內(nèi)壁加入耐燒蝕的復(fù)合材料作為內(nèi)襯絕熱層,防止發(fā)動機損壞。

        當(dāng)然,燒蝕材料不僅可以用于航天領(lǐng)域,還可以用于軍事領(lǐng)域。我國的軍事能力在最近幾十年的發(fā)展可以說是突飛猛進(jìn),東風(fēng)系列導(dǎo)彈為大眾所知曉,“東風(fēng)快遞,使命必達(dá)”的口號也“飛入尋常百姓家”了。

        東風(fēng)系列導(dǎo)彈是我國的一系列近程、中遠(yuǎn)程和洲際彈道導(dǎo)彈。

        彈道導(dǎo)彈是指在火箭發(fā)動機推力作用下按預(yù)定程序飛行,關(guān)機后按自由拋物體軌跡飛行的導(dǎo)彈。有些彈道導(dǎo)彈的彈道在大氣層外,因此,這些導(dǎo)彈不可避免地要穿過大氣層。而彈道導(dǎo)彈的飛行速度也達(dá)到了大約10 馬赫(相當(dāng)于當(dāng)?shù)芈曀?0 倍,約為3 403m/s),所以在大氣層中也會因為摩擦而產(chǎn)生大量的熱量,主要是在彈頭處。在高溫高壓的環(huán)境下,導(dǎo)彈的彈頭會遭到嚴(yán)重的損壞,從而影響導(dǎo)彈的飛行軌跡和射程。因此,在導(dǎo)彈彈頭上也會加上高密度的燒蝕材料涂層,防止導(dǎo)彈彈頭的損壞,使導(dǎo)彈能夠精準(zhǔn)地打擊目標(biāo)。

        燒蝕材料按照燒蝕的機理可以分為升華型、熔化型和碳化型三類。

        升華型

        升華型的材料在遇見高溫時,會通過一種叫作升華①的物理變化,帶著大量熱量一起“遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)”,這樣就可以使得飛行器的表面溫度不會因為太高而發(fā)生事故。但是,這類升華型的材料隔熱性能不好,也就是說這類材料不能很好地防止熱量傳導(dǎo)到飛行器的內(nèi)部,而且這類材料的制作成本比較高,所以在實際應(yīng)用中并不多見。

        熔化型

        熔化型的材料會在遇到高溫時發(fā)生熔化。在熔化過程中,它可以吸收大量熱量,而且熔化型的材料包括石英、玻璃一類,這類材料在經(jīng)過熔化之后會在飛行器的表面形成一個“保護(hù)套”——液態(tài)膜,這個“保護(hù)套”可以降低飛行器所受到的氣流沖刷帶來的影響。這類材料有一個缺點就是不便于加工,也就很難大面積地用在飛行器表面。

        碳化型

        碳化型的材料是通過高溫下高分子材料發(fā)生碳化吸熱,從而防止飛行器表面溫度過高。

        國外關(guān)于航天器的輕質(zhì)燒蝕材料研究已經(jīng)取得了豐碩的成果,并且已經(jīng)有了豐富的飛行經(jīng)歷。國外研究的材料種類多樣,并且形成了較為完整的體系,不僅可以滿足多種環(huán)境下的不同需求,還可以滿足各個量級的飛行器對于防熱的不同需求。而從國內(nèi)的角度來看,對于輕質(zhì)燒蝕材料的研究還遠(yuǎn)不及國外,輕質(zhì)燒蝕材料是一個值得去投入研究的重要領(lǐng)域。

        目前,我國燒蝕材料正處于不斷摸索前進(jìn)的階段,開發(fā)出高性能水平的燒蝕材料對于增強我國航天、軍事水平都有著重大意義。相信我國的科學(xué)家們一定會在不遠(yuǎn)的未來,研制出性能更好的燒蝕材料,將我國的航天和軍工事業(yè)推向新的高度。

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