高超音速导弹是指具有良好的气动外形 、采用高性能动力系统且飞行马赫数为 5~16 的导弹,其具有飞行速度快 、突防能力强 、攻击目标范围广 、杀伤威力大等显著特点,被认为是21世纪扭转战局的制胜利器。
高超音速导弹材料有多难
而这其中,材料的选择尤为关键,随着导弹飞行速度的提高,导弹在高超音速飞行过程中会产生大量的热量,当飞行速度达到 8Ma 时,弹体的头锥部位温度可达 1800℃,其他部位温度也将在 600℃ 以 上,因此对材料的耐热性提出了较高的要求。 此 外,为了保护飞行器通 讯 、遥 测 、制 导 、引爆等系统正常工作,那材料还需要能够透电磁波,材料既要适应导弹气动 力 、气动热和飞行过程中的恶劣环境, 又要满足寻常的制导要求,因此,要求材料必须具备耐热 、防 热 、承载 、透波等功能 。
但是目前的耐高温材料最大的问题就是不透电磁波,导弹的制导部件无法工作,不能打击移动目标。
但是目前很难获得一种耐热-透波-承载综合性能十分理想的材料,近 20 年 来, 美国先后通过实施 X-43A 、X- 51A、HTV-2 等多个高超声速飞行器项目,可以说,美国在高超音速导弹的布局上要比中国更早更加全面。但是,美国却一直没有攻克高超音速导弹,最大的问题就出在了材料上面。美国对采用不同材料体系和结构方案的热防护系统 / 热结构技术进行了研究和验证,但是都宣告了失败。
中国女教授解决难题
而中国就发现了我们老祖宗留下来的一样材料可以解决这个问题,那就是陶瓷,但是光有陶瓷也不行,中国女教授范景莲在高超音速飞行器的材料问题上,全世界创新性地提出了微纳复合的概念。
用超高温陶瓷材料和难熔金属实现“微纳复合”,实现双方优势互补,既有陶瓷的高熔点、低密度等特性,又拥有金属的延展性呢?
这两样一个是有机材料,一个是无机材料;一个导电导热,一个不导电导热;一个可延展,一个没有延展性,可谓根本没有“复合”的基础。但是范景莲却成功攻克了这一难题。范景莲世界首创超高温陶瓷材料和难熔金属实现“微纳复合“,实现了难熔合金的轻量化和近零烧蚀,为航空航天重大工程,超高速飞行器,国家高新工程提供了一种极为关键的超高温材料,填补了世界空白,而这种材料也被称为“范纳米”。
事实上,其他国家也发现了陶瓷的作用,也在研究陶瓷基底材料,1997 年,在美国陆军部资助下,著名材料学家Gary Gilde 等研制了无压烧结 SiON 纳米复合陶瓷材料用于超音速飞 行 器 。 该材料 20℃和 1000℃时的介电常数ε分别为 4.78 、5.0,介电损耗 tgδ分别为 0.0014 、0.0025,弯 曲 强 度 为 190MPa]。
虽然性能优异,但是美国研发的陶瓷基底材料始终不能兼顾这四大要求,:(1) 电气性能,具 有 低 的 介 电 常 数 (ε≤10) 和 介 电 损 耗 (tgδ≤ 0.001),并且不随温度和频率发生明显变化;(2) 耐 热性能好,经受3000℃以上的高温,可以满足高超音速飞行器在大气层内以5到20倍音速飞行数小时的苛刻要求(3) 力 学 性 能,具有足够的力学性能保证飞行过程中材料在由空气动力引起的机械应力作用下具有优异的稳定性;(4) 抗侵蚀性能,具有防雨蚀 、防粒子侵蚀的能力等 。
没有办法的美国只能用碳-碳复合材料,这种材料是航天飞机或者火箭上用的隔热材料。而这种材料在高温时会电离干扰制导雷达波。这也让美国进入了一个进退两难的地步,继续使用碳-碳复合材料,那制导性能无法保证,而重新研究高温陶瓷材料,没有相关的基础和产业链。
总结
时至今日,目前美国依然没有攻克材料难题,这些年以来,美国甚至专门成立国家高超声速材料与结构科学研究中心、深化对耐极端高温材料的基础机理和科学规律的研究和探索 ; 加强先进试验技术手段开发、提升支撑热防护材料与结构开发的试验能力,可以说是铁了心想要搞定材料问题。
中国作为全球第一个列装高超音速导弹的国家,目前中国甚至已经掌握了乘波体高超音速飞行器技术,乘波体高超声速滑翔弹头的优势在于可利用其高超音速滑翔飞行的能力,进行类似于“水漂”式的特殊弹道飞行,令传统反导弹系统几乎无力推演计算其具体位置,从而突破反导弹系统的拦截,除此之外,其在飞行过程中,能够转换攻击目标,从而极大地增加敌对国家的防空设施拦截难度。这样一来,敌方也根本没有办法进行拦截或者规避。
可以说在相关领域,做到了领先世界,在高超音速导弹的覆盖范围之内,中国可以说再也不惧强敌来范。
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