烧蚀材料，被称为是飞行器的“保护伞”。它究竟是何方神圣，为什么如此重要呢？让我们在第八个“中国航天日”来临之际，一起来了解下。

首先就得解释解释，究竟何为“烧蚀”。烧蚀，从字面解释：烧——加热使物体变化，蚀——损伤、亏缺。那么烧蚀就是在高温状态下物质的消耗。所以，所谓的烧蚀材料就是一种在高温环境下被消耗掉的材料。

超轻质烧蚀防热涂层材料丨图源：科技日报/中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所

#1

对航天器的保护作用

我们知道，火箭、航天飞机在返回地球的时候，由于燃料不足以将飞行器从一个很高的速度（约 7.7km/s）降到一个很低的速度，所以只能通过地球表面稠密的大气层来减速。大气层通过摩擦“拽住”飞行器达到减速的目的，而如此高速的情况下，摩擦会产生巨大的热量，使飞行器表面温度迅速升高至几千甚至上万摄氏度。如果没有保护，那么飞行器就会瞬间化作一团火焰而“灰飞烟灭”。例如美国的“哥伦比亚”号航天飞机在返回的过程中，飞机的隔热瓦受损，返回途中飞机爆炸，飞机上的7人全部遇难。

天问一号着陆过程丨图源：科普中国/Kerwis团队

绝热层材料烧蚀物理模型（Tc为推进剂燃气温度，Tdf绝热层分解结束时温度, Tdi为绝热层分解起始温度，Ti为初始温度）

我们熟知的火箭表面的“保护伞”，就是烧蚀材料。烧蚀材料具有汽化热大、比热容大、绝热性好、向外界辐射热量功能强的特点。当火箭穿过大气层时，烧蚀材料会发生分解、融化、蒸发、升华等多种吸热的物理化学变化，借助材料自身的质量消耗带走大量热量，从而防止火箭在返回途中被烧毁，保证了火箭的安全着陆和宇航员们的生命安全。

图源：佚名/澎湃影像/IC photo

不仅火箭外部需要用到烧蚀材料，火箭内的发动机内壁也同样需要。因为固体火箭发动机的内部长时间在高温高压的环境下工作，需要在内壁加入耐烧蚀的复合材料作为内衬绝热层，防止发动机损坏。

#2

在军事领域的运用

当然，烧蚀材料不仅可以用于航天领域，还可以用于军事领域。我国的军事能力在最近几十年的发展可以说是突飞猛进，东风系列导弹为大众所知晓，“东风快递，使命必达”的口号也“飞入寻常百姓家”了。东风系列导弹是我国的一系列近程、中远程和洲际弹道导弹。

东风-17导弹丨图源：签约摄影师/IC photo

弹道导弹是指在火箭发动机推力作用下按预定程序飞行，关机后按自由抛物体轨迹飞行的导弹。有些弹道导弹的弹道在大气层外，因此，这些导弹不可避免地要穿过大气层。而弹道导弹的飞行速度也达到了大约10马赫（相当于当地声速的10倍，约为3 403m/s），所以在大气层中也会因为摩擦而产生大量的热量，主要是在弹头处。在高温高压的环境下，导弹的弹头会遭到严重的损坏，从而影响导弹的飞行轨迹和射程。因此，在导弹弹头上也会加上高密度的烧蚀材料涂层，防止导弹弹头的损坏，使导弹能够精准地打击目标。

#3

烧蚀材料的种类

烧蚀材料按照烧蚀的机理可以分为升华型、熔化型和碳化型三类。

1

// 升华型

升华型的材料在遇见高温时，会通过一种叫作升华（指物质从固态不经过液态直接变成气态的相变过程，逆过程叫凝华）的物理变化，带着大量热量一起“远走他乡”，这样就可以使得飞行器的表面温度不会因为太高而发生事故。但是，这类升华型的材料隔热性能不好，也就是说这类材料不能很好地防止热量传导到飞行器的内部，而且这类材料的制作成本比较高，所以在实际应用中并不多见。

干冰升华丨图源：拍信创意

2

// 熔化型

熔化型的材料会在遇到高温时发生熔化。在熔化过程中，它可以吸收大量热量，而且熔化型的材料包括石英、玻璃一类，这类材料在经过熔化之后会在飞行器的表面形成一个“保护套”——液态膜，这个“保护套”可以降低飞行器所受到的气流冲刷带来的影响。不过，这类材料有一个缺点就是不便于加工，也就很难大面积地用在飞行器表面。

玻璃熔化丨图源：拍信创意

3

// 碳化型

碳化型的材料是通过高温下高分子材料发生碳化吸热，从而防止飞行器表面温度过高。

神舟十三号载人飞船返回舱丨图源：陈小麦/澎湃影像/IC photo

国外关于航天器的轻质烧蚀材料研究已经取得了丰硕的成果，并且已经有了丰富的飞行经历。国外研究的材料种类多样，并且形成了较为完整的体系，不仅可以满足多种环境下的不同需求，还可以满足各个量级的飞行器对于防热的不同需求。而从国内的角度来看，对于轻质烧蚀材料的研究还远不及国外，轻质烧蚀材料是一个值得去投入研究的重要领域。目前，我国烧蚀材料正处于不断摸索前进的阶段，开发出高性能水平的烧蚀材料对于增强我国航天、军事水平都有着重大意义。相信我国的科学家们一定会在不远的未来，研制出性能更好的烧蚀材料，将我国的航天和军工事业推向新的高度。

作者介绍

龚仕辰、张育新，重庆大学材料学院。

高翔，航天五院西安分院物资部。