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
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
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。
李文盛：電子工程學士及軍事學碩士，原總參某部高級工程師，從事軍事信息與軍事戰略研究，以及遠程作戰問題研究，長期參加中國軍控學會《年度國際軍備控制與裁軍報告》及中國國際問題研究所《全球核態勢評估（年度）報告》的撰寫，在軍內外十余家刊物發表學術及軍事科普論文400余篇，參與《俄羅新軍事基本情況》、《美國未來作戰系統》等多部論著撰寫，主持或參加了多項國家及軍隊科研項目，獲得軍隊科技進步獎多項，為核戰略與核武器發展、作戰使用專家，在防空與反導，以及常規遠程作戰方面也有較深研究。
出品：科普中國
作者：李文盛
策劃：金赫
監制：光明網科普事業部
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