肖 軍，樊來恩，曾一兵

(1. 中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；2. 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

0 前 言

隨著飛行速度和射程的不斷攀升，新型中遠距空空導彈面臨越來越嚴峻的氣動熱環(huán)境。嚴酷彈道氣動加熱會導致彈體結構力學性能劣化、艙體內(nèi)元器件和精密儀器儀表難以正常工作。通常戰(zhàn)術導彈艙內(nèi)溫度要求不大于300 ℃[1]，彈體結構所受氣動加熱不得超出其強/剛度的許用上限，艙體內(nèi)溫度不得超過器件和儀器儀表正常工作的上限。

空空導彈結構熱防護有彈體外防熱及艙體內(nèi)隔熱，局部防熱與系統(tǒng)熱防護等形式。燒蝕防熱涂層是高速飛行器結構防熱領域應用廣泛、技術成熟的一類材料，通過高溫熱解、汽化，隨氣流帶走彈體表面大量的熱量，既保護彈體結構也保障了艙內(nèi)器件和精密儀器儀表的正常工作。

不同于普通材料的選用、測試和實驗室性能鑒定，空空導彈彈體防熱涂層的選用直接影響到型號工程研制進展、戰(zhàn)技指標及維修保障、戰(zhàn)斗力的形成。鑒于空空導彈有別于常見戰(zhàn)術導彈特有的任務剖面、壽命剖面和使用維修特點[2]，以及所選防熱涂層對型號科研試制、大型試驗與產(chǎn)品交付多方面的影響，防熱涂層選用備受關注。以往空空導彈和機載導彈的射程僅幾十公里、速度低于2～5馬赫，無需外防熱。目前中遠距空空導彈和機載導彈的射程已超過一百公里甚至達到數(shù)百、上千公里[如美軍120D空空導彈和俄羅斯的匕首高超聲速(>5馬赫)遠程機載導彈]，僅僅靠彈體結構的熱容和局部內(nèi)隔熱已無法滿足氣動熱防護需要。本文討論了空空導彈外防熱涂層的選用及試驗，為相關工程應用提供借鑒。

1 彈體熱防護與防熱涂層

1.1 結構熱防護材料

借助導彈發(fā)射時載機給予的初速度和發(fā)動機的推力，空空導彈自主飛行峰值速度通?？蛇_到3～5 Ma、甚至達到高超聲速范疇，在如此高的速度下，彈體熱防護十分重要。常用彈體熱防護有艙體內(nèi)隔熱與彈體外防熱，局部與全彈熱防護。其中，局部熱防護及艙體內(nèi)隔熱最為常見。

隨著航天航空技術的發(fā)展，已開發(fā)出品種繁多的防熱材料，包括有高溫燒蝕率接近零的難熔金屬、陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料；樹脂基防熱復合材料；無機防熱涂層材料、無機 - 有機復合涂層材料，以及防熱、結構承載一體化功能材料等。與航天飛行器不同，空空導彈彈體結構大面積熱防護宜采用防熱效率高，結構相容性、環(huán)境適應性等綜合性能優(yōu)良的薄層防熱涂層進行防護，透波窗口選用功能材料，以簡化設計、控制彈體尺寸和形貌，便于大規(guī)模批產(chǎn)交付、降低成本。

1.2 防熱涂層

防熱涂層通常指具有防/隔熱作用的涂層材料，常見的防熱涂層有輕質(zhì)隔熱涂層、燒蝕防熱涂層、輻射散熱涂層以及熱障涂層和功能防熱涂層等材料。其中，燒蝕防熱涂層具有防護效率高、綜合性能優(yōu)良的特點，主要有成碳型、成硅型2類，用于彈體外熱防護；輕質(zhì)隔熱涂層具有質(zhì)輕、熱導率低等特點[3]，主要用于艙體內(nèi)隔熱；輻射散熱涂層耐高溫性好、輻射散熱系數(shù)大、可重復使用，多用于衛(wèi)星及宇航飛行器；功能防熱涂層，兼有多種功能和熱防護作用。本文重點討論外防熱涂層選用及試驗。

鑒于空空導彈質(zhì)量、尺寸嚴格受限和長達10 a以上的服役壽命，外掛空空導彈外表面的防熱涂層通常不采用低密度泡沫類隔熱材料，也較少采用低強度、柔軟的硅橡膠涂層，而是選用耐磕碰、剮蹭，強度高的薄層高效熱防護涂層進行熱防護?？湛諏椀呐擉w通常為鋁鎂合金、鈦合金等材料的薄壁殼體結構，附著力低，需要優(yōu)化表面處理、涂層性能以抵御彈道飛行氣動熱條件下氣流沖刷的影響。涂層的環(huán)境適應性十分重要，要求滿足海洋、島礁環(huán)境長期服役期間多次掛飛、長期外露的設計要求。此外，還需滿足小批量多批次科研試制、定型后大量批產(chǎn)，火工品常溫施工等要求。鑒于尺寸、外形、使用與維修保障要求，以及批量生產(chǎn)和其他戰(zhàn)術導彈的差異，決定了空空導彈特有的外防熱涂層選用技術。

2 選材、改進與新型材料研發(fā)

2.1 防熱材料與型號選用

隨著需求增長和技術進步，目前已積累了眾多防熱技術和系列化的防熱涂層材料。此外，新型材料研發(fā)試驗與完善不能一蹴而就，未知的風險使得重復研制往往得不償失，因此，型號研制優(yōu)先選用已有材料。防熱涂層選用一般要求有：①立足國內(nèi)，選用設計定型成熟應用的防熱材料；②結構功能相似部位參照、采用相似型號實踐證明有效的材料；③提高通用化、系列化和標準化程度，降低批產(chǎn)工程化風險；④優(yōu)選有利于提高戰(zhàn)技指標、可靠性、維修性、保障性和壽命的先進材料；⑤滿足壽命期內(nèi)環(huán)境適應性設計要求；⑥在滿足設計、制造和使用前提下優(yōu)選低成本材料。

結構熱防護是空空導彈型號研制的一項重要工作，防熱涂層的性能、施工質(zhì)量關乎到產(chǎn)品設計定型、批產(chǎn)裝備和戰(zhàn)斗力的形成。空中試驗通常涉及導彈、載機、靶機、試驗場/站，以及產(chǎn)品組裝、試驗準備、調(diào)度等多方因素；一次大型外場試驗的成本高昂，熱防護是否到位將影響到飛行試驗成敗以及其他搭載任務能否正常進行。型號設計定型前往往需要開展多次大型、綜合性試驗，因此由于防熱涂層變更后重復試驗的成本和進度等代價往往難以承受。

空空導彈型號研制[4]的方案(F)、初樣(C)、工程樣機(S)、設計定型(D)、批產(chǎn)(P)在不同階段的任務與側重不盡相同。進度、成本等因素導致空中防熱試驗難以重復。例如，在F、C階段的程控彈側重最大速度、最大射程、機動性等涉及熱防護邊界條件的彈道飛行試驗，而型號S、D研制階段的制導彈空中試驗側重于導引、跟蹤系統(tǒng)的科研試驗。因此，在S階段及以后難以替換防熱涂層、重復已完成的嚴酷彈道防熱試驗。此外，空空導彈批產(chǎn)數(shù)量大、批次多，防熱涂層選用不當造成的返工返修成本十分高昂。再者，導彈列裝后，分布在不同地域的機場和倉庫，甚至隨航母航行于全球各大海洋，因故障返廠修復的代價更大。鑒于以上因素，一個型號工程用防熱涂層及配套輔料的選用需要仔細甄別和挑選，確保其性能優(yōu)良、滿足設計要求，能夠長期穩(wěn)定批產(chǎn)，避免反復。為此，有必要在型號研制初期進行系統(tǒng)性頂層策劃，通過試驗逐步完善。

2.2 改進與創(chuàng)新

通常每種防熱材料的研制背景、性能指標和適用對象各異，與選用要求之間往往存在差異。當所選已有材料的性能不能全面滿足新型號需要時，可嘗試改進已選材料的不足，縮短研制過程、降低工程化風險。若防熱材料選用和改良仍難以滿足型號需要，應及時開展新型材料研發(fā)以解決相關問題。

3 防熱涂層選用主要試驗

試驗涉及涂層的防熱性能、結構相容性、環(huán)境適應性、維修保障、批產(chǎn)工藝性、成本等方面。

3.1 防熱性能

涂層防/隔熱性能與涂層材料的耐熱性不同，前者指涂層在氣動熱環(huán)境中對涂覆部位氣動熱燒蝕、傳導的阻隔與防護作用，而后者指涂層在高溫條件下保持自身理化和力學性能的能力。涂層的耐熱性通常采用烘箱、馬弗爐進行試驗，或由材料熱分析儀器檢測，如TG/DTA/DSC/DMA等靜態(tài)或動態(tài)的熱分析儀器。

防熱性能通常以地面專項試驗結合空中嚴酷彈道飛行的方式考核。地面試驗在實驗室內(nèi)進行，主要有：①熱風洞試驗；②石英燈輻照試驗；③氧乙炔[5]或等離子焰燒蝕試驗；此外，還可依據(jù)條件和樣件采用酒精或燃氣噴燈、馬弗爐等設備試驗。

熱風洞試驗可模擬飛行過程馬赫數(shù)、熱流密度、氣體總溫、剪切力等熱環(huán)境，是最接近實際工況的試驗方法，但成本較高。與馬弗爐或烘箱之類恒溫試驗設備相比，石英燈輻射試驗升溫速率快、加熱功率大，可按不同形狀、分區(qū)加熱模擬試驗表面的熱流密度、持續(xù)時間、總加熱量，但難以模擬氣流沖刷馬赫數(shù)、局部激波加熱效應。氧乙炔或等離子焰燒蝕試驗主要用于標準試樣、樣件局部駐點燒蝕試驗，而TG/DTA/DSC/DMA等熱分析儀器側重于材料的專項熱性能檢測，噴燈燒蝕試驗簡便易行，但可控性和專業(yè)性不及前者。與普通選材和實驗室檢測不同，彈體防熱涂層的熱防護有效性仍需經(jīng)空中嚴酷彈道的試驗驗證。國產(chǎn)戰(zhàn)術導彈熱防護涂層選用多采用石英燈輻照防熱試驗進行對比試驗。

3.2 結構相容性

結構相容性是導彈結構設計的重要工作，涉及防護涂層體系的底漆/防熱層/三防漆之間的相容性，異種材料組合的電偶腐蝕、熱膨脹系數(shù)匹配，摩擦副硬度匹配，耐溶劑和耐介質(zhì)等結構相容性設計，避免結構不相容隱患在服役嚴酷環(huán)境條件下導致產(chǎn)品性能劣化及故障。

結構相容性可以通過相關工程軟件計算分析，以及在嚴酷環(huán)境條件下開展試驗來激發(fā)故障，如濕熱、鹽霧、高/低溫和溫度沖擊、振動、沖擊、加速度等環(huán)境試驗等，以發(fā)現(xiàn)問題并不斷改進、完善設計。

此外，防熱涂層的相容性不僅涉及涂層的層次之間、涂層 - 彈體結構之間的相容性，還涉及涂層與產(chǎn)品性能、與防熱密封之間以及與生產(chǎn)流程之間的相容性，廣義上講也涉及與工作介質(zhì)、環(huán)境和維修保障作業(yè)任務之間是否相容等內(nèi)容。

以彈體表面熱載荷分布為依據(jù)，通過熱環(huán)境分析和預示得到表面氣動熱分布，經(jīng)試驗選取不同的涂層材料和防護厚度，有利于減輕結構質(zhì)量。此外，還應分析、試驗防熱涂裝對彈體結構特性的影響。熱防護涂層的結構相容性可采用局部產(chǎn)品或功能模擬試驗件經(jīng)專項試驗、產(chǎn)品服役環(huán)境相關的試驗進行考核。除環(huán)境適應性和使用維護相關試驗外，還可采用模擬彈體組合結構的樣件開展電偶腐蝕、密封相容性等試驗分析。

3.3 環(huán)境適應性與壽命

環(huán)境適應性試驗是一項綜合模擬試驗，考核防熱涂層對嚴酷環(huán)境的耐受性和與彈體的相容性。試驗條件包括溫度、濕度、鹽霧等大氣氣候環(huán)境，以及振動、沖擊、加速度等動力學環(huán)境。在海洋環(huán)境服役的空空導彈還需進行適海性試驗分析，例如在海南三亞、榆林以及我國南海三沙等地，采用試片、典型樣件進行海洋大氣暴露試驗[2]

涂層壽命[6]涉及導彈維修保障、首翻期，可通過已有型號壽命試驗數(shù)據(jù)類比、廠家試驗數(shù)據(jù)分析、加速壽命試驗、數(shù)理統(tǒng)計類推等途徑獲得。

3.4 維修保障

與箱式/筒式貯運 - 發(fā)射戰(zhàn)術導彈不同，空空導彈壽命期內(nèi)面臨多次掛機、檢測、裝箱操作，彈體表面難以避免受到剮蹭、磕碰等局部損傷。防熱護涂層在外場服役條件下的快速修復是導彈維修性戰(zhàn)技指標之一。要求所選防熱涂層在外場條件下局部破損所用維修材料和方法便捷，并驗證有效?？刹扇嶒炇覍ｍ椌S修性試驗、環(huán)境適應性試驗，結合產(chǎn)品外場維修保障試驗一并考核。采用功能試驗件或產(chǎn)品進行模擬試驗，考察熱防護涂層快速維修所用材料和維修方案的可行性。

3.5 批產(chǎn)工藝性

導彈防熱涂裝工藝和設備是實現(xiàn)小批量、多批次科研試制和定型大量批產(chǎn)裝備的基礎。充分分析待選涂層相關資料和信息，如材料、工藝是否滿足型號批產(chǎn)工藝、火工品批量涂裝、特殊部位防護相關要求，是否與導彈制造工藝總流程、返修返工及質(zhì)量控制兼容；此外，還有成本、原材料供應、環(huán)境安全等內(nèi)容。在研制階段開展涂裝優(yōu)化工藝研究[7-9]和配套設備研制，為型號定型批產(chǎn)做好準備。

4 涂層選用及試驗流程

4.1 工作流程

依據(jù)氣動熱環(huán)境預示和結構設計開展防熱涂層選用及試驗：調(diào)研與候選涂層收集→初級試驗→結構相容與熱防護試驗、典型樣件試驗→工藝優(yōu)化與產(chǎn)品試驗→確定選用材料→產(chǎn)品應用。

調(diào)研工作首先關注材料的性能、質(zhì)量、型號應用背景和狀況、使用工藝、存在的不足等信息。要求供應商的保密和質(zhì)量資質(zhì)合規(guī)、型號背景相近，由此獲得多個候選材料。為節(jié)省時間和資源，可通過初級試驗了解所選材料、縮小范圍。與產(chǎn)品試驗相比，平行篩選的初選試驗具有簡便、快捷、成本低等特點。主要涉及涂層的防熱性能，附著力、延伸率、硬度等性能，以及環(huán)境適應性、工藝等內(nèi)容。

在初級試驗中，環(huán)境適應性主要有高/低溫和溫度沖擊、濕度等大氣環(huán)境試驗，采用可表征產(chǎn)品實際狀態(tài)的材料、熱表面處理和噴涂工藝制備涂層試驗件，特殊部位還應制備典型樣件用于試驗。通過理化檢測可獲知涂層的密度、硬度、剪切強度、附著力等性能，利用熱分析儀器了解涂層的熱解溫度、失重性能。采用石英燈、電弧熱風洞、其他材料熱 - 機械性能試驗設備分析涂層的防熱性能[8]。

在上述基礎上，開展防熱涂層的相容性試驗，以及產(chǎn)品專項適配性試驗(如介電性能測試等)、涂層的壽命分析、適時開展空中飛行試驗和外場維修性試驗驗證，補充其他所需的配套試驗，并啟動科研生產(chǎn)相關的準備工作。

4.2 試驗件及試驗

試驗件有標準試樣、試片、典型試驗樣件、局部和全尺寸產(chǎn)品等多種形式，隨試驗方法的不同各異。試驗件設計、制作和試驗條件選取，關系到結果準確性和代表性。例如，采用統(tǒng)一規(guī)格的平板試樣、典型熱流曲線單面加熱、背面測溫方式進行涂層防熱性能試驗，采用涂層典型樣件或產(chǎn)品進行結構相容性分析等。隨著技術的發(fā)展，用氣動熱數(shù)值仿真結合局部或全尺寸產(chǎn)品分區(qū)熱和載荷加載靜熱聯(lián)合試驗、熱 - 載荷動態(tài)模擬試驗為產(chǎn)品結構熱防護設計提供更為精確的分析和指導。

4.3 試驗結果評判

表征涂層性能的技術指標有外觀、密度、附著力、電性能和力學性能等多項內(nèi)容，理化和力學性能可依據(jù)相應國家標準、企業(yè)規(guī)范進行試驗評估。

通過同基材、規(guī)格和厚度涂層樣件在相同熱流條件下試驗所得燒蝕形貌及背溫與設計目標比較，評估涂層的防熱性能。防熱涂層在型號產(chǎn)品上熱防護的有效性仍以空中嚴酷彈道飛行試驗考核為準。

通過產(chǎn)品功能模擬試驗件、典型樣件或產(chǎn)品環(huán)境適應性試驗+專項涂層相容性試驗加以評估，要求滿足結構完整性及防護功能的要求。防熱涂層、配套三防漆的環(huán)境適應性依據(jù)型號環(huán)境試驗大綱的規(guī)定進行外觀和性能檢測。適海性試驗后進行外觀和涂層性能檢測。環(huán)境試驗中防熱涂層 - 三防漆水泡故障如圖1所示，圖1為一種外觀良好的防熱涂層[9][1.2～1.4 g/cm3, 0.35 W/(m·K)，1.4 J/(g·K),≥6.5 MPa]，在環(huán)境試驗中出現(xiàn)鼓包、開裂等故障。

圖1 環(huán)境試驗中防熱涂層 - 三防漆水泡故障[9]Fig. 1 Blisters on thermal protection coating and tri - proof paint in environment adaptability tests[9]

此外，依據(jù)產(chǎn)品維修性大綱要求評估防熱涂層和三防漆的三級維修可行性和便捷性。依據(jù)專項工藝試驗評估防熱材料是否滿足火工品涂裝、安全性、質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性要求，是否滿足小批量及大規(guī)模生產(chǎn)工藝和質(zhì)量規(guī)定要求。

5 試驗數(shù)據(jù)的利用

鑒于彈體防熱涂層選用試驗的重要性、通用性和對型號工程的影響，有必要建立相應的規(guī)范指導結構防熱涂層的選用，并通過實踐不斷完善。此外，上述試驗獲得的數(shù)據(jù)可用于導彈和發(fā)射裝置設計、工藝和質(zhì)量的改進，對推動新材料研發(fā)和防熱涂層材料的推廣應用也具有積極作用。

6 結束語

防熱涂層技術日趨成熟。在需求牽引下，防熱涂層不斷推陳出新。正確選用滿足型號產(chǎn)品需要的防熱涂層，對避免反復、加速研制進程以及穩(wěn)定批產(chǎn)十分重要。本文討論的防熱涂層選用試驗，主要適用于外掛空空導彈和機載導彈，筒裝發(fā)射的地 - 空、面 - 空型派生武器應依據(jù)具體結構、使用維護，以及熱環(huán)境、大氣環(huán)境和動力學環(huán)境的實際情況選用與之相符的防熱涂層材料。防熱涂層選用試驗數(shù)據(jù)的積累可亦為后續(xù)相關工作提供技術支撐。

隨著導彈任務、戰(zhàn)場環(huán)境、目標特性的變化，彈體防熱涂層將向多功能方向發(fā)展，例如防熱 - 隱身、防熱 - 防激光等。5G技術、大數(shù)據(jù)和各種工業(yè)技術的融合，將為彈體防熱涂層的選用提供耳目一新的方法和程序。本文論述的選材試驗相關內(nèi)容可為相關企業(yè)規(guī)范的建立及后續(xù)工程應用提供借鑒。