中国反激光新成果,白菜价的防护材料打败了激光武器

作者:晨枫老苑

本文转载自:晨枫老苑(ID:ChenFengLaoYuan)

5月号的《兵工材料科学与工程》发表北理工高丽红团队的论文,用硼酚醛树脂实现了高效激光防护。最有意思的是,硼酚醛树脂是低成本粘合剂,中国是世界上最大的硼酚醛树脂产地,工业级硼酚醛树脂的成本只有每公斤7元人民币,呃,比大白菜还是贵一点,不过作为激光防护材料,真心不贵。
高丽红团队在实验中发现,对涂敷2.5毫米改性硼酚醛树脂的部位用每平方厘米500瓦功率的激光连续照射15秒钟,基体表面温度只上升到230摄氏度,低于铝材的熔点约400摄氏度。换句话说,铝制弹体在这样的激光照射下基本可以确保无损。
这是超过已知激光武器达到的最高能量密度。如果地面的激光武器达到3兆瓦功率,在反洲际导弹的高度上,大概能达到每平方厘米300瓦的功率密度。美国现在达到武器级的激光只有300千瓦的功率,兆瓦级激光武器还在研制中。
硼酚醛树脂是碳化型烧蚀材料,在高温下,自身迅速气化,通过气化热带走大量热量,剩余材料的绝热性能确保热量不致传递到基体。陨石进入大气层通常是通过这种烧蚀机理避免在再入高温下直接爆炸、解体,航天器再入时也是用一样的烧蚀层保护载人舱和设备舱,常规的高速导弹、无人机同样用烧蚀材料进行热保护。
纤维增强酚醛塑料属于碳化型烧蚀材料,以纤维或布为增强材料,以浸渍酚醛树脂为基体制成复合材料,具有抗烧蚀能力好、碳层强度高、碳含量高和工艺性能好等优点。当然还有便宜。另外还有玻璃类的融化型烧蚀材料和碳-碳纤维等的升华型烧蚀材料。
高丽红团队当然没有直接用工业硼酚醛树脂,而是掺加了碳化硅、二氧化锆、碳黑等无机粉末,这些依然是相对低成本和常见的材料。不过基体硼酚醛树脂就是直接从市场上买来的,毫无特别。
通过对实验结果仔细检查发现,烧蚀孔洞的基底有很多球状颗粒,具有玻璃类的性质,可能是由添加的材料形成的。也就是说,改性硼酚醛树脂或许融合了碳化和融化两种烧蚀机制,互相加强散热效果。

中国反激光新成果,白菜价的防护材料打败了激光武器

这对于反激光作战具有重要意义,对于中国的弹道导弹、高超音速导弹和卫星的激光防护很重要,也对低成本无人机的反激光防护很有意义。

在中国高超音速导弹大幅度领先的压力下,激光武器的研发成为美国武器发展的重头戏,每年投资10亿美元以上。一旦武器化,投资强度还将极大增加。价廉物美的硼酚醛树脂不至于完全“破解”激光攻击,但迫使激光武器的功率极大增加,对改变导弹-反导平衡有巨大意义。即使对于低成本的小摩托,涂抹一层硼酚醛树脂既不昂贵也不费事,但战术级的激光武器就有效距离极大压缩了。

高丽红是北理工本科和硕士材料专业毕业的,法国马赛中央理工大学固体材料和纳米科学博士,2012年博士毕业,2013年加盟北理工,担任讲师,2016年在北理工提升为副教授,2020年获得博导资格,2021年提升为长聘教授。这是北理工网站信息:

入选军委科技委“军事青托”人才工程,获得2020年度国防进步二等奖(排名第2),获得硅酸盐学会青年科技奖,担任材料加工系系主任, Journal of Advanced Ceramics青年编委,《材料研究与应用》第一届青年编委会副主任编委,北京市科委专家,中国机械工程学会表面工程分会青年学组特聘专家。,作为主要技术骨干参与科工局基础科研重点项目、装发预研、科技委国防特区等项目十余项。讲授《材料物理与力学性能》本科生课程及《材料分析测试与表征》研究生课程。

长期开展高能激光防护材料相关研究,发表论文六十余篇,申请中国及美国专利四十余件(授权二十余件),获得1项软件著作权。撰写的《高能激光防护材料技术》一书入选工信部国之重器出版工程。主持国家自然基金、装发领域基金重点等项目十余项。

中国反激光新成果,白菜价的防护材料打败了激光武器

另一方面,中国正在研制10吉瓦级紧凑型超大功率装置,可用于微波和激光武器。

这是国防科大舒挺团队在《强激光与粒子束》学报上的论文里提到的。通常,这样大功率的装置很大、很沉重,但舒挺团队的装置只有一个书架大小,接上市电就可运作,达到每秒10次的脉冲输出。

中国反激光新成果,白菜价的防护材料打败了激光武器

舒挺团队的好东西

现有军用级微波武器大多在千瓦级到兆瓦级,反卫星需要达到吉瓦级。

乌克兰战争爆发后,星链的作用引起各国军界的高度重视。用常规的反卫星导弹打是打不过来的。

但高密度、高能量电源实际上难度很高,弄不好首先把自己烧了。舒挺团队的早期试验多次将特别加固的隔热箱体都烧毁了。武器级的大功率电源还需要输出能以足够长的时间稳定在最大功率,还要能保证多次射击。这些挑战使得开关和绝热材料格外难弄。

根据舒挺团队的描述,最后的设计是好像DNA结构的电子加速器,在双螺管一样的结构里加速,做到体积小、功率高、效率高。双螺管浸在甘油溶液里,绝缘优良,不需维护,适合战场使用。早期有过短路问题,但在确保溶液无泡后,短路问题解决了。

在2018年,美军在测试中用电磁攻击粉碎了33架无人机的蜂群攻击。同年,俄军Krasukha-4微波武器系统据说在叙利亚迫使一架美军“阿帕奇”迫降,因为机载电子系统被“烧”了。有说法Krasukha-4系统的“射程”高达300公里。

中国反激光新成果,白菜价的防护材料打败了激光武器

Krasukha-4系统

中国的电磁攻击武器和激光武器的研发也在紧锣密鼓地进行,有了这样给力的紧凑型电源,有一天喜讯传来就不必惊讶了。

防激光胶,激光和微波武器,嗯,这样的自相矛盾好。

张丽红是年轻人,舒挺是老教授了,他是国防科大物理电子学的学术带头人。

对了,要感谢《南华早报》,为人们搜集这样的好消息

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