最近，美國和加拿大通過衛星證實了中國人民解放軍在中國東部和西部地區均部署了“東風26”中遠程彈道導彈。去年，筆者曾草草計算了《東風DF-26B和DF-21D兩枚導彈同時擊中南海目標的飛行時間和軌跡》，東風26之所以被稱為“航母殺手”，是因為其巡航速度快，達到了10馬赫以上，這么快的速度在出入大氣層必定會產生非常高的溫度，那么怎么解決這種高溫難題以不至于導彈還未射中目標就像“雪糕”一樣融化呢？本文不僅從效應、原理、復合材料，還通過引用“超音速導彈溫度場建模與仿真”論文進行了綜合介紹。

所有的超音速彈道導彈都會遇到這個難題，我們首先來看看俄羅斯的“先鋒”高超音速導彈是怎樣解決的。

俄羅斯“先鋒”導彈的“冰棍效應

俄羅斯先鋒高超音速導彈，是目前最先進的一種高超音速武器，對比現在研制出來的非常多的導彈而言，它的性能非常強勁。不僅時速33077公里，而且導彈表面溫度高達2000度。

消息稱俄羅斯總統普京在談到“先鋒”高超音速導彈時，曾說這種導彈飛行就冰棍，會邊飛邊融化，是什么“冰棍效應”。這是怎么回事？

2020年9月，俄羅斯總統普京在談到最新服役的“先鋒”高超聲速導彈時，確實說過：這種導彈在飛行中會像雪糕一樣融化，因此其能承受極高的表面溫度。在與俄核工業代表舉行的會議上，他又說：“這就像是‘冰棍效應’，（高超音速導彈）一邊飛，一邊融化。飛行中的溫度接近2000度，只比太陽溫度低一點兒，但材料可在需要的時間內抵御住這一高溫。”

這看似一個玩笑，實際是對導彈彈頭抗燒蝕機理的一個非常恰當的比喻。

俄羅斯先鋒導彈彈頭高速滑翔飛行

俄羅斯先鋒導彈彈頭高速滑翔飛行，其表面會像雪糕一樣“融化”，帶走表面熱量

為了解決這個難題，俄羅斯花費精力研制出了強耐高溫耐腐蝕的復合材料，使得“先鋒”導彈能夠經受2000度高溫的炙烤。而普京形容“先鋒”導彈的耐高溫性能像冰棍一樣，其實說的很形象，“先鋒”導彈的機體設計有多層隔熱結構，在飛行中，這些隔熱層能夠確保彈頭在極端高溫下穩定前行，不會被迅速融化。而按照普京的說法，得益于這些復合材料，“先鋒”導彈能夠在飛行中慢慢融化，在所需要的時間里抵御極限高溫。

超音速巡航過程中的“氣動加熱”原理與熱防護方案[1]

導彈在超高速飛行時，由于流過其表面的氣流猛烈受壓，動能轉化為熱能，同時導彈與氣流之間發生粘性摩擦也產生部分熱能，從而使導彈受熱。這種現象就是“氣動加熱”，溫度隨著飛行速度增大而急速增高。它也和飛行高度有關，因為高度越低，空氣密度越大，氣動加熱也就越嚴重。例如，射程3000千米的彈道導彈，在穿越大氣層起飛、爬高時，因氣動加熱而升溫到幾百度，接近目標再入大氣層時，彈頭溫度可以達到幾千度。

因此導彈，特別是中遠程導彈，在設計彈頭時必須考慮熱防護問題。科研人員也先后找到了四種熱防護方案：熱沉式、輻射隔熱式、燒蝕式、發汗冷卻式。

使用最廣、效率最好的是燒蝕式，特別是對中遠程導彈彈頭，幾乎毫無例外地都選擇了這種。普京說的“冰棍”，就是這種方式里的一種。

經過再入考驗的美國MK5彈頭再入體外殼

燒蝕式防熱，是利用防熱材料在受熱條件下產生汽化、蒸發、升華、流失等一系列物理化學變化，消耗部分質量，同時將大部分氣動加熱在表面消耗或帶走，從而達到保護飛行器的目的。這在各國再入飛行器設計中得到了廣泛應用，包括彈道飛行器、飛船、返回式衛星，還有低升力力再入體。燒蝕防熱適用的飛行任務范圍很廣泛，環境條件可在一個極廣的范圍內變化，從長時間(2000秒數量級）、低氣動加熱率（低于100千瓦/平方，并伴隨著再入體激波層的強烈輻射加熱），到幾十秒時間、高氣動加熱率（高于10000千瓦/平方米），都能適用。

彈頭燒蝕試驗后可見鑄造的端頭帽和纖維布包裹的再入體殼體，被燒蝕掉的部分像雪糕融化一樣帶走了致命的熱量

超高溫復合材料

可以看出，采用燒蝕式防熱的關鍵，是燒蝕材料的選擇與制造。根據燒蝕機理和燒蝕特征，目前燒蝕材料大致可以分成四類。

第一，碳化塑料燒蝕材料，包括單基塑料，以有機材料（滌綸等）或無機材料（玻璃、石英、碳、金屬等）增強的塑料。例如，許多國家導彈彈頭的端頭部分，采用了碳纖維編織材料。

第二，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。

第三，耐高溫氧化物燒蝕材料，包括石英等材料。它們在高熱流沖刷下，會發生軟化、熔融、蒸發等現象，并在氣體沖刷下流動。

第四，耐高溫陶瓷燒蝕材料，比如石墨。它們在燒蝕過程中是氧化和升華過程起作用，受傳導介質的影響并受表面發生的多相化學反應的影響。美國航天飛機機翼前緣表面，就是用了陶瓷貼片瓦材料。

再入體發射前與回收后的比較，可見右側表面已經被嚴重燒蝕

上述四種材料都有其最適用的環境條件。彈道導彈、高超音速導彈，飛行時面臨的環境條件范圍很寬，因此沒有固定的某種材料比其它材料特別優越。但相比而言，碳化燒蝕材料，應用范圍最廣，因為它兼有另外兩種熱防護方法，輻射式、發汗冷卻式的一些最好的特性，表面溫度可以達到很高，而隔熱問題卻由于碳化塑料的分解溫度低而極易解決。這就是各國最終都將碳纖維編織材料作為防止導彈彈頭燒蝕的最終解決方案的原因。從這點來看，高速導彈在飛行中還真如普京所說，就像“雪糕”一樣邊飛邊融化。

超音速導彈溫度場建模與仿真[2]

要解決超音速導彈的高溫問題，不僅僅需要結構、材料，還需要前期嚴謹的設計、建模與仿真，以及后期的試驗。下面是海軍航空工程學院關于“超音速導彈溫度場建模與仿真”的論文概述。

超音速導彈溫度場的計算對其紅外輻射特性研究具有重要的參考價值。對超音速導彈的兩個主要輻射源蒙皮和羽流進行了深入分析，建立了超音速導彈溫度場模型，仿真驗證了模型的可行性。采用理論模型與半經驗公式對導彈溫度分布進行了計算，將羽流近似成超音速軸對稱無伴隨絕熱等熵流，利用特征線法計算氣流參數分布。此外，建立了超音速導彈尾焰形狀的理論模型與計算方法。最后進行仿真，計算了導彈各部分的溫度分布，并與實驗結果比較，結果表明，該方法是一種計算超音速導彈溫度分布的有效方法。

1 、導彈溫度分布計算模型

根據超音速導彈的紅外輻射將導彈分成 3 個 部分進行溫度計算：蒙皮、尾噴管和羽流。文中主要研究蒙皮和羽流的溫度分布。

1.1 導彈蒙皮溫度計算

當導彈在大氣中高速飛行時，導彈蒙皮的溫度會由于氣動加熱而升高，因而會產生相當強的紅外輻射。駐點溫度的計算公式此處略。

氣動加熱是一種氣動強迫加熱過程，所以雖然飛行器表面會有熱傳導發生，但一兩分鐘即可達到平衡壁溫，導彈蒙皮的平衡壁溫可近似為駐點溫度 的 0.9 倍，即導彈蒙皮的溫度 T=0.9Ts

1.2 導彈羽流溫度分布計算

當導彈超音速運動，尾焰在高度欠膨脹的情況下，認為燃氣射流起始段包含馬赫盤的波節只有一個。

燃氣離開噴管瞬間形成膨脹波。膨脹使氣流速度加快堯出口壓強 P1 降低；在邊界處，為滿足 P1 和 Pa 相等，就會產生一道攔截膨脹波的沖波。

初始段中粘性和導熱性影響只表現在很薄的邊界層，這一 段氣流結構可按理想流體的氣動力問題來確定。在過渡段中湍流度影響顯著，還存在一個射流等速核心區。基本段內應用自由湍流射流理論，假設整個過渡段的長度與馬赫盤半徑之比為一常值(按實驗取為 4，則整個欠膨脹流場結構如圖 1 所示：

1.3 導彈羽流形狀計算模型

導彈羽流形狀計算模型需要對“射流起始段邊界形狀”和“馬赫盤半徑”建模，同時確定”射流過渡段與基本段形狀“等。

2、仿真

最后是進行仿真，在 Matlab 環境下，對某型導彈進行仿真。

通過參數計算結果可以得出初始段氣流速度與溫度等變化的一些規律。氣流剛從噴管噴射出來時速度是逐漸增大的，但是加速度是逐漸減小的。

然后氣流由于受到正沖波的作用使得氣流速度整體速度瞬間減少。而氣流溫度的變化與速度變化正好相反。但在馬赫盤內，溫度急劇地升高很多，故氣流在馬赫盤將形成溫度的一個梯度極點。當氣流穿過馬赫盤后，在空氣阻力的作用下逐漸射開飄散。

詳細的計算模型可以聯系作者/責編獲取論文全文。

參考來源：

[1]：科普中國

[2]：海軍航空工程學院 研究生管理大隊&兵器科學與技術系 論文《超音速導彈溫度場建模與仿真》，作者：吳龍寶 ，謝曉方，王誠成 ，于嘉暉。
編輯：hfy