11月13日 ， 一家名叫巴特勒科技的美国企业获得了美国国防部4630万美元的合同 ， 研制一种高超声速下的热防护材料 。 合同的名字叫做“用于高超声速的碳-碳复合材料制造” 。 这份合同的授予 ， 让人多少感觉有点不对味 。
碳-碳复合材料是人们所熟悉的宇航防热材料 ， 而热防护系统是航空宇航领域中当仁不让的关键技术之一 ， 特别是到了高超声速阶段 。 世界上没有多少材料可以耐受高超声速武器飞行时产生的气动加热 ， 而不变形、烧蚀乃至解体 。 无论航天飞机还是X-37B ， 用的都是碳-碳复合材料隔热瓦 。 美国新一代载人飞船“猎户座”也打算采用同样的防热材料 。 如今把它用在高超声速武器上 ， 听起来似乎也很合理 。
但是 ， 碳-碳复合材料是最好的吗？显然不是 。
研制中的美国高超声速导弹
按照哈尔滨工业大学有关专家的论文 ， 碳-碳复合材料在惰性气氛保护环境下具有优异的高温力学性能 ， 但由于碳元素特殊的性质 ， 它在空气环境下 400℃便开始发生氧化现象 ， 且随着温度的升高 ， 氧化速度逐渐加快 。 也就是说 ， 在稠密大气中使用 ， 无论采用东风17那样的助推滑翔弹道 ， 还是X-51A那样的巡航弹道 。 碳-碳复合材料都会和氧气发生反应 ， 很快就把自己烧掉了 。 为了解决这个问题 ， 中美科学家们都采取了很多办法 。 主要可以分成三种：第一种是改进材料结构 ， 即使有所烧蚀也不会影响强度；第二种是在里面添加一些烧蚀材料 ， 比如锆元素的化合物 ， 温度升高的时候让它们先烧掉 ， 保护碳-碳复合材料本身；第三种是加涂层 ， 把氧原子挡在外面 ， 不和碳原子反应 ， 涂层的种类很多 ， 包括金属、玻璃、陶瓷 ， 等等 。
碳纤维复合材料
但即使采用了各种办法 ， 碳-碳复合材料的耐高温指标也不能让人满意 。 一般用在不超过2000摄氏度的情况下 。 多数情况下在1500~1700摄氏度下使用 。 这么高的温度 ， 连钢铁也融化了 。 为什么还是不能满足高超声速武器的研制需求呢？这是因为速度越快 ， 气动加热就越剧烈 。 如果材料耐热性能无法提升上去 ， 就意味着高超声速导弹的使用受到巨大限制 。 如果在低空的稠密大气中使用 ， 速度和射程不能进一步提高 。 如果要提高速度和射程 ， 就必须把导弹推到高空稀薄大气中飞行 ， 降低气动加热的强度 ， 但这会导致暴露攻击意图 。 而且当导弹从高空俯冲下来、攻击地面目标的时候 ， 还是要穿越稠密大气 。 如果这时候减速来缓解气动加热 ， 动能杀伤效果就会大打折扣；不减速 ， 弹体可能就烧掉了 。
要想达到更高的飞行速度 ， 就要选择另一大类热防护材料：超高温陶瓷 。 超高温陶瓷的种类很多 ， 按照有关文献的数字 ， 它们的熔点高达3000摄氏度以上 ， 某些陶瓷在实验室中表现出了比碳-碳复合材料更优越的性能 。 有趣的是 ， 陶瓷本身在高温环境下也是要氧化的 ， 但是通过合理选择材料配方和结构 ， 氧化层反而会保护后面的陶瓷材料 ， 确保导弹结构稳定 。
无论中美科学家 ， 对这两种材料的优劣都是非常清楚的 。 实际上 ， 美国科学家在超高温陶瓷领域一直开展广泛而深刻的研究 。 并且取得了相当不错的试验结果 。
航天飞机的碳-碳复合材料防热瓦严重烧蚀
那么 ， 美国国防部这次为什么还是要把碳-碳复合材料投入批产 ， 来支持高超声速导弹的研制？答案很简单 ， 美国的超高温陶瓷研制进度可能并不顺利 。
超高温陶瓷的研制是个非常艰苦的过程 ， 具体陶瓷配方的研制完全是个“一炉一炉扔钱”的过程 。 要经过漫长的尝试才能突然发现一种合用的配方 ， 其中的很多试验几乎就是在黑暗中摸索 ， 反复失败几乎是家常便饭了 。 有了配方 ， 要想制造合格的陶瓷材料 ， 难度也非常大 。 其实超高温陶瓷的制造方法和我们常用的瓷器一样 ， 就是用高温烧制 ， 让材料内部发生反应 ， 达到人们想要的物理和化学性质 。 然而超高温陶瓷的这个指标 ， 可比茶壶高太多了 。 所以 ， 国内外每年都为此发表大量的文献 ， 却还没有哪个机构公开宣布 ， 自己的超高温陶瓷烧结工艺可以投入大批量生产了 。
既然合适的超高温材料还没研制出来 ， 美国军方着什么急下单呢？在报道中 ， 巴特勒科技提到了这样一句话 ， 这项合同将为美国提供“继续追赶乃至超越强大对手在高超声速武器方面的能力” 。 很显然 ， 美国对中、俄在高超声速导弹上的领先地位非常着急 ， 认为自己已经处在落后状态了 。 那么宁可采用性能低一点的材料 ， 也要先把型号搞出来 ， 批量装备到部队 。 至于超高温陶瓷的应用 ， 等到下一代再考虑吧 。
或许这里还有一个因素 。 在超高温陶瓷的配方选择中 ， 锆这种金属占了很大的比重 。 然而 ， 全球锆矿石的探明储量多数不在中国也不在美国 。 其中澳大利亚和南非分别占65.38%和17.95% 。 其他锆储量相对丰富国家还有印度、莫桑比克和印度尼西亚 。 中国和美国的锆资源储量基本相等 ， 都仅占世界储量的0.6% ， 只有澳大利亚的百分之一 。 美国如果依靠澳大利亚的锆矿来保证高超声速导弹研制装备 ， 就面临着海上交通线的安全问题 。 用碳-碳复合材料就没有这个问题了 。 这个问题对中国来说或许更严重 ， 能不能保证锆资源供应 ， 对于我们的高超声速技术发展 ， 是个必须解决的难题 。
（作者：孔新 版权稿件 ， 未经许可禁止转载）
【复合材料|一份复合材料合同，暴露出美国高超声速导弹研制可能遇到了挫折】文章内容系作者观点 ， 不代表本报立场
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