远程导弹弹头防热设计及热烧蚀防护

2016年3月，朝鲜公布了其远程导弹弹头热烧蚀试验的情况，引发外界关注。那么，导弹弹头是如何“防热”的？这要从弹头的基本结构与组成谈起。

导弹弹头的基本结构与组成

弹道导弹上的弹头由再入体与非再入体组成。再入体由端头、密封舱、稳定裙组成，非再入体一般由突防舱（由于导弹载荷过小，朝鲜导弹的弹头有可能未设计该部分）及其控制部分组成。按功能分，一般由防热结构、承力结构、连接结构、密封结构、安装支架等组成。其中，端头位于弹头最前端，气动外压和气动加热最严重。先进弹头端头还要能经受恶劣天候或核爆尘埃粒子的侵蚀，解决这些问题是端头防热与结构设计的主要内容。端头一般由端头帽和端头体组成。端头帽是设计关键。数年前发生的美国战略导弹部件误送台湾事件的主角就是“民兵”3导弹的端头部分。

密封舱位于弹头中部，是安装核装置及其引爆系统的部段，由于核装置及其引爆系统要求在一定气压和温度下工作，所在舱需设计成密封容器，一般设有隔热层，有的还有加温系统，以保持核装置需要的较恒定温度。

稳定裙位于弹头再入体后部，主要是为增大弹头的压力系数，从而保证弹头在再入飞行中姿态稳定。姿控舱主要安放控制系统的仪器、贮箱、发动机等。

突防舱主要用来安放突防装置，姿控舱和突防舱一般只工作到弹头再入之前，一旦工作任务完成，即与弹头再入体分离自行坠毁。因此控制舱和突防舱的防热设计仅是针对主动段气动加热进行，较之再入体防热设计要简单。

当攻击目标与导弹发射点确定之后，导弹的弹道一般是射前定好的，导弹在达到预定射程所需要的速度与方位之后进行头体分离，弹头按自己的预定轨道飞行，穿过真空段、再入段直至命中，弹头的技术难题几乎均发生在再入段。

弹头设计的基本考虑

弹道导弹的弹头再入大气层时，气动加热程度随射程增加而增加。经过多年探索与实践，这一问题已部分解决，从目前情况看，各国解决弹头高速再入技术难题的途径主要有以下几种。

优化选择合理外形弹头良好的再入特性需要满足小阻力、高稳定性和小热环境等要求，实际上，把弹头做成圆球状或球锥状，可使弹头的动能大部分消耗在产生的空气激波上，使热量被空气带走。但是这种形状的弹头不能满足再入所需速度要求，稳定性也较差，影响命中精度。工程技术人员经过试验发现，在相同的再入条件下，增大头部半径或减小半锥角可降低弹头的热流密度和总加热量，对防热设计有利，可使防热层的厚度减薄，同时对内部温度分布也有影响，因此现代弹头外形多采用小钝头组成的钝锥体、钝双锥和组合体。而在设计上，为方便使用和生产、维护，弹道导弹常采用的弹头形状是带有稳定裙的圆锥钝头形。这样既满足了弹头高速再入和其内部一定容积的需要，又可以使动能减少一部分，以降低一定的总热量。

进行热防护层设计即使采用合理的弹头外形设计，弹头高速再入时，气动加热仍会产生大量热量，使得弹头表面温度升高。因此为维持弹头再入飞行所必须具有的气动外形，减少质量损失，维护金属承力结构所必须具有的强度，保证内部装填物所需要的温度和压力，弹道导弹弹头外表面必须设置防护层。有的弹头还用热传导系数小、耐热性能好的材料制成依靠热辐射来保护弹头装置的外壳。此外，也有一种防热层是利用材料的熔化和蒸发以及化学分解，消耗大量热值来保护弹头，即所谓的“烧蚀性保护层”，为达到防热目的，降低弹头内腔的温升，一般还会在弹头金属壳体内表面设置隔热层，以降低热传导。

进行弹头姿态控制由于弹头防热设计通常不能兼顾所有方向，因此需要弹头飞行维持一定方向和姿态，以确保弹头总是以最耐热的部分向前，而且弹头需要保持一定的流线姿态，确保飞行阻力适中。此外，弹头可能由于结构或制造问题，或固定的飞行姿态而导致某些方向烧蚀严重，而另一些方向烧蚀不明显，从而造成弹头外部失去对称性，这在高速气动环境中非常危险，可能造成弹头飞行失稳，甚至结构崩溃或烧毁。各国解决这一问题的方法基本都是一方面设计弹头保持固定的姿态，另一方面为弹头设计慢速旋转，使弹头各方向的烧蚀均匀对称，也就是准确地对弹头进行定向和稳定控制。为此，弹头一般装有相应的控制设备，对弹头再入飞行姿态进行控制。最简单的方法是在弹头尾部装上一个稳定裙。它是弹体壳体的一个组成部分，但它并不承受过高的载荷，只是在弹头穿过大气层时，如同羽毛球上的羽毛，利用空气的阻滞，使弹头降低一定的速度，并调整其飞行姿态。当然，倘若弹头再入飞行的速度很高，仅仅依靠结构上的稳定裙是不够的，还必须在弹头上安装姿控用的小火箭、制动折翼及精确的姿控系统等，使弹头再入时能够绕其相应的弹体坐标旋转。这除了保证定向外还能保证弹头的防热覆盖层烧蚀均匀，减少滚动共振，保证弹头突防系统的正常工作，进而提高命中精度。

外表进行光滑处理国外试验表明，弹头壳体穿过稠密的大气层时，弹头外表面气流平顺和紊乱时的表面温度有很大差别，通常会达到二百多度，而速度越高，这种差异也越大，因此尽量使弹头外表面光洁圆滑，是减少热传导的一项有效措施。要使弹头外表面具有良好的流线型，在设计和制造时，必须尽量避免弹头壳体上出现凸起、凹坑和波纹，并保证较高的光洁度。另外，还要适当选择弹头壳体与天线窗口、壳体与壳体之间的结构材料，使之相互匹配得当。

除上述措施外，人们还在弹头壳体上涂以能耐极高温度的烧蚀材料，并且在弹头的某些部位装填由铜、锂、铍及铍的氧化物等材料制成的吸热剂。总之，弹头防热结构质量、弹头的初始不对称量（质心偏移等）、烧蚀不对称量及烧蚀沟槽、花纹、烧蚀厚度与烧蚀质量等都对弹头性能、弹头总质量、再入散布、弹头生存能力和可靠性等指标产生大影响。

如何提高抗烧蚀能力

从20世纪50年代开始研制导弹以来，热防护一直是导弹设计的关键课题，因为热防护对弹头总体性能影响较大，防热技术的突破甚至可以成为弹头更新换代的主要标志。作为弹头的防热结构，它要既能减少高温气流向壳体表面传递热量，又能吸收并消散空气对壳体传递的热量，同时还要尽可能少和慢地向壳体内部传递热量，确保装药或仪器在正常温度下工作。弹头防热技术中先后研究和发展了四种抗烧蚀方案：热沉式、辐射隔热式、烧蚀式和发汗冷却式。工程上已应用的是热沉式、辐射隔热式和烧蚀式。应用最广、效率最好的是烧蚀式，特别是对中远程导弹弹头，目前几乎无例外地使用烧蚀式热防护方法。

热沉式防热这是发展最早和结构最简单的防热方法，它是选用热容量大的材料来吸收和辐射弹头气动加热。由于材料温度使用上限的限制，要使热沉材料充分发挥作用，材料必须具有较高的密度、熔化温度、导热系数和较大的比热容，满足这些要求的较理想材料是铜，其次是铁。碳（石墨）在低温或非氧化环境中亦作为热沉材料，但更经常作为烧蚀材料使用。热沉式结构多为厚壁或实心体，结构简单，但效率低，只适用于热流密度较低、总加热量不高的场合，一般在近程导弹弹头或局部防热中采用。

辐射式防热辐射式防热主要靠防热材料把气动加热辐射到空间，使再入体不吸收热能。一般采用基体加涂层的形式，选用能耐较高温度、密度较低的基体，具有较高辐射系数的涂层。因为基体材料辐射系数较低，一般仅0.3～0.4，不能直接使用，当今应用的辐射涂层，大多数辐射系数在0.7～0.9，一般取0.8就可以实现辐射防热的目的。涂层一般较薄，约0.1～0.5毫米，以保持良好的粘合力和塑性，基材多选用铝及其合金等，一般为薄壁结构。辐射防热只有少量热能达到基体中，因而特别适用热流密度较低、加热时间长的轨道飞行器或低再入倾角的飞行器使用。

烧蚀式防热烧蚀式防热是利用防热材料在受热条件下产生物理化学变化，通过消耗一部分质量（汽化、蒸发、升华、流失等），将大部分气动加热在表面耗掉。从近程弹道导弹到远程弹道导弹、飞船、返回式卫星以及低升力再入体均采用烧蚀防热，从长时间到几十秒时间、高气动加热率都能适用。有关资料表明，如果烧蚀性保护层被烧蚀的速度为每秒0.5毫米时，那么，它将有40%左右的热量是因材料的升华而被吸收，有20%左右的热量是由于气体产物进入边界层而减少，其余40%左右的热量则因在化学反应中被吸收，或从高温表面辐射出去。由此看出，所谓烧蚀性保护层，实际上被烧蚀的厚度并不是很大。

弹头热烧蚀防护要求及材料

烧蚀式放热设计效率最好，大多数远程导弹都采用这种方案，但这一技术要求较高，材料使用成为关键问题。

弹头热烧蚀防护设计要求其设计要求弹头再入体表面不仅要烧蚀量小，而且还要隔热性能好、质量小，在此前提下力求外形变化小。为兼顾弹头特有功能，还需具有良好的抗核功能，能经受高空核拦截环境，特别是具有抗X射线所引起的加热功能。此外，在某些部位还要求具有良好的电波穿透功能，保证引信天线及遥测天线无线电波的传输，并在高温下具有良好的绝缘性能。而在再入体表面烧蚀部分的材料选择也要求具有较高的净化度，不含或只含微量的碱土金属杂质，以求在再入过程中尽可能减小等离子体鞘套的电子密度和尾迹的长度，以利于减少通信中断时间和提高突防功能（减小雷达散射截面）。除满足这些要求外，防热设计还必须重视材料和结构的相容性，既要考虑弹头各部位防热性能的匹配，又要使防热系统作为弹头结构的一部分，与承力结构相匹配，使之成为一个整体。任何一个防热设计及其所选材料都不可能兼有上述全部功能，弹头各部位环境不同，要求的功能也不同，必须根据不同部位的特点，权衡利弊在满足主要要求的前提下进行优化。

弹头热防护烧蚀材料选择弹头热烧蚀防护的关键是选择烧蚀材料，这种材料不但是承力结构的一部分，而且要利用自身的消耗带走大量热量，保护内部承力结构和核装置。在不同的热环境下，烧蚀过程中的各种物理化学效应对防热所做的贡献各不相同，因此，没有一种材料在任何环境中其烧蚀性能是绝对优越的。也就是说不同的防热材料适用不同的环境，或者说不同的热环境要选用不同的防热材料。例如，碳基材料是利用碳的高升华热和高的表面热辐射特性，如果加热环境不足以使其表面达到升华温度，反而会因表面碳的烧蚀增加向材料内部传递的热量，使热影响区加大，防隔热效率大大下降。同样，硅基材料如不能使其表面形成液态层，也就无法充分利用它的融熔和蒸发的热效率，只能当作隔热材料使用，不能作到物尽其用。导弹的射程不同，飞行弹道不同，在飞行过程中，弹头的不同部位将分别出现不同的加热环境，防热设计必须针对不同加热条件采取不同措施。

根据烧蚀机理和烧蚀特征，烧蚀材料可以分成四类：一是碳化塑料烧蚀材料，单基塑料或是以有机材料（涤纶等）增强的或是以无机材料（玻璃、石英、碳、金属等）增强的塑料；二是热塑性烧蚀材料，诸如泰氟隆（聚四氟乙烯），在烧蚀过程中直接升华成气体；三是耐高温氧化物烧蚀材料，诸如石英，暴露于高温、高热流下时，发生软化、熔融、蒸发，并能在气体冲刷下发生流动；四是耐高温陶瓷烧蚀材料，诸如石墨，烧蚀过程中是氧化和升华过程起作用，这类材料抗热性较好，但可塑性差，加工复杂，且部件不能过大，因此多在最关键的端头部分使用。

各国都是根据各自的工业技术能力和需要选择不同的热烧蚀防护材料。例如，美国潜射“北极星”导弹弹头壳体由精密的玻璃钢布缠绕而成，弹头整流罩部位则用二氧化硅带与苯酚醛树脂缠绕，这些精密技术至今仍只有少数国家掌握。印度的“烈火”3/4/5导弹的弹头防热材料曾长期困扰科研人员，造成研制一拖再拖，它们的弹头都采用了烧蚀型碳纤维材料，但印度还无法生产这种复合材料，进口又受到导弹技术控制协定禁止，只能通过走私获得，这使得印度“烈火”系列导弹进展缓慢。