11月13日，一家名叫巴特勒科技的美國企業獲得了美國國防部4630萬美元的合同，研製一種高超聲速下的熱防護材料。合同的名字叫做「用於高超聲速的碳-碳複合材料製造」。這份合同的授予，讓人多少感覺有點不對味。
碳-碳複合材料是人們所熟悉的宇航防熱材料，而熱防護系統是航空宇航領域中當仁不讓的關鍵技術之一，特別是到了高超聲速階段。世界上沒有多少材料可以耐受高超聲速武器飛行時產生的氣動加熱，而不變形、燒蝕乃至解體。無論太空梭還是X-37B，用的都是碳-碳複合材料隔熱瓦。美國新一代載人飛船「獵戶座」也打算採用同樣的防熱材料。如今把它用在高超聲速武器上，聽起來似乎也很合理。
但是，碳-碳複合材料是最好的嗎？顯然不是。
研製中的美國高超聲速飛彈
按照哈爾濱工業大學有關專家的論文，碳-碳複合材料在惰性氣氛保護環境下具有優異的高溫力學性能，但由於碳元素特殊的性質，它在空氣環境下 400℃便開始發生氧化現象，且隨著溫度的升高，氧化速度逐漸加快。也就是說，在稠密大氣中使用，無論採用東風17那樣的助推滑翔彈道，還是X-51A那樣的巡航彈道。碳-碳複合材料都會和氧氣發生反應，很快就把自己燒掉了。為了解決這個問題，中美科學家們都採取了很多辦法。主要可以分成三種：第一種是改進材料結構，即使有所燒蝕也不會影響強度；第二種是在裡面添加一些燒蝕材料，比如鋯元素的化合物，溫度升高的時候讓它們先燒掉，保護碳-碳複合材料本身；第三種是加塗層，把氧原子擋在外面，不和碳原子反應，塗層的種類很多，包括金屬、玻璃、陶瓷，等等。
碳纖維複合材料
但即使採用了各種辦法，碳-碳複合材料的耐高溫指標也不能讓人滿意。一般用在不超過2000攝氏度的情況下。多數情況下在1500~1700攝氏度下使用。這麼高的溫度，連鋼鐵也融化了。為什麼還是不能滿足高超聲速武器的研製需求呢？這是因為速度越快，氣動加熱就越劇烈。如果材料耐熱性能無法提升上去，就意味著高超聲速飛彈的使用受到巨大限制。如果在低空的稠密大氣中使用，速度和射程不能進一步提高。如果要提高速度和射程，就必須把飛彈推到高空稀薄大氣中飛行，降低氣動加熱的強度，但這會導致暴露攻擊意圖。而且當飛彈從高空俯衝下來、攻擊地面目標的時候，還是要穿越稠密大氣。如果這時候減速來緩解氣動加熱，動能殺傷效果就會大打折扣；不減速，彈體可能就燒掉了。
要想達到更高的飛行速度，就要選擇另一大類熱防護材料：超高溫陶瓷。超高溫陶瓷的種類很多，按照有關文獻的數字，它們的熔點高達3000攝氏度以上，某些陶瓷在實驗室中表現出了比碳-碳複合材料更優越的性能。有趣的是，陶瓷本身在高溫環境下也是要氧化的，但是通過合理選擇材料配方和結構，氧化層反而會保護後面的陶瓷材料，確保飛彈結構穩定。
無論中美科學家，對這兩種材料的優劣都是非常清楚的。實際上，美國科學家在超高溫陶瓷領域一直開展廣泛而深刻的研究。並且取得了相當不錯的試驗結果。
太空梭的碳-碳複合材料防熱瓦嚴重燒蝕
那麼，美國國防部這次為什麼還是要把碳-碳複合材料投入批產，來支持高超聲速飛彈的研製？答案很簡單，美國的超高溫陶瓷研製進度可能並不順利。
超高溫陶瓷的研製是個非常艱苦的過程，具體陶瓷配方的研製完全是個「一爐一爐扔錢」的過程。要經過漫長的嘗試才能突然發現一種合用的配方，其中的很多試驗幾乎就是在黑暗中摸索，反覆失敗幾乎是家常便飯了。有了配方，要想製造合格的陶瓷材料，難度也非常大。其實超高溫陶瓷的製造方法和我們常用的瓷器一樣，就是用高溫燒制，讓材料內部發生反應，達到人們想要的物理和化學性質。然而超高溫陶瓷的這個指標，可比茶壺高太多了。所以，國內外每年都為此發表大量的文獻，卻還沒有哪個機構公開宣布，自己的超高溫陶瓷燒結工藝可以投入大批量生產了。
既然合適的超高溫材料還沒研製出來，美國軍方著什麼急下單呢？在報導中，巴特勒科技提到了這樣一句話，這項合同將為美國提供「繼續追趕乃至超越強大對手在高超聲速武器方面的能力」。很顯然，美國對中、俄在高超聲速飛彈上的領先地位非常著急，認為自己已經處在落後狀態了。那麼寧可採用性能低一點的材料，也要先把型號搞出來，批量裝備到部隊。至於超高溫陶瓷的應用，等到下一代再考慮吧。
或許這裡還有一個因素。在超高溫陶瓷的配方選擇中，鋯這種金屬佔了很大的比重。然而，全球鋯礦石的探明儲量多數不在中國也不在美國。其中澳大利亞和南非分別佔65.38%和17.95%。其他鋯儲量相對豐富國家還有印度、莫三比克和印度尼西亞。中國和美國的鋯資源儲量基本相等，都僅佔世界儲量的0.6%，只有澳大利亞的百分之一。美國如果依靠澳大利亞的鋯礦來保證高超聲速飛彈研製裝備，就面臨著海上交通線的安全問題。用碳-碳複合材料就沒有這個問題了。這個問題對中國來說或許更嚴重，能不能保證鋯資源供應，對於我們的高超聲速技術發展，是個必須解決的難題。
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