烧蚀

速度极高的运动物体在炽热气体作用下，表面材料熔解、消失和变形的现象。烧蚀一词原为研究流星体穿过大气层时出现的材料熔解、气化和腐蚀的现象所用。再入大气层的弹头、卫星、飞船和航天飞机，在通过稠密大气层时，因气动加热，表面温度急剧上升，表面材料也会产生一系列复杂的物理化学变化，如材料的熔化、蒸发、升华，材料与周围空气之间的化学反应，材料各成分之间的化学反应，材料的流失和剥蚀等，也统称为烧蚀。烧蚀以损耗一定质量的材料来耗散外界的气动热，从而能减少外界对物体体内的传热，使物体内部保持所要求的温度。所以，烧蚀可作为热防护的一种手段。自20世纪50年代开始研究洲际导弹再入大气层的热防护问题以来，烧蚀机理和烧蚀材料的研究发展较快。早期洲际导弹的热防护材料为硅基复合材料，主要成分为二氧化硅，吸热机理主要为二氧化硅蒸发吸热。随着弹头的小型化和机动化，硅基材料因难以适应更苛刻的热环境，被碳基材料取代。碳基材料的主要成分为碳，包括石墨和各种工艺的碳-碳基复合材料，吸热机理为碳的升华。烧蚀机理的研究是根据高温气流作用下实际材料的物理、化学反应运用能量守恒和质量守恒原理，确定烧蚀材料的损耗及其热防护效果。在烧蚀后的物体表面上常可以看到各种有规则的图案，称为烧蚀图像。烧蚀图像大致可分为三类：①流向沟槽：它的前后宽度一致，在两种不同材料形成的后向台阶的表面上，常可观察到这种图像(图1)。②熔楔：一种楔形的流向沟槽，其形态特征是，半楔角在9°～11°之间，两侧有较深的窄沟(图2)。在球头上，熔楔有时会形成有序分布(图3)。有序熔楔是边界层过渡区中的一种烧蚀图像。③菱形花纹和鱼鳞坑(见彩图)：这种图像往往紧接在熔楔和流向沟槽的后面。外流为超声速和边界层为湍流是产生这种图像的必要条件。实验表明，这种图像的几何形状有一定的规律性。形成烧蚀图像的机理复杂，尚待进一步研究。由于烧蚀图像在一定程度上能显示流场，深入研究烧蚀图像有助于了解物面边界层和湍流流动。

图1 火箭喷气发动机排气管内壁因烧蚀形成的流向沟槽

图2 烧蚀形成的熔楔

图3 在球头上烧蚀所形成的有序熔楔

超声速流中的模型烧蚀试验

蜂蜡模型表面超声速流的典型烧蚀图象