神舟飞船成功率100%，谈谈保驾护航航天器的防热材料

发布时间：2023-11-08 15:00:51 所属栏目：动态来源：

导读：　　对于神舟飞船进行成功的发射与回收来说，我们已经没有什么疑虑之处；而现在我们将讨论如何妥善保管这些不致使它们被损毁的特殊材质。就是这种材料保证了神舟飞船能在大气层里高速降落而不被烧毁。

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　　对于神舟飞船进行成功的发射与回收来说，我们已经没有什么疑虑之处；而现在我们将讨论如何妥善保管这些不致使它们被损毁的特殊材质。就是这种材料保证了神舟飞船能在大气层里高速降落而不被烧毁。

　　不知道大家是否很困惑，天上的流星也就是岩石掉落到大气层里被烧毁的现象，天舟货运飞船在返回大气层后也会在空气中完全烧毁。这些从太空来的东西很容易在返回大气层以后被烧毁，也就是说这些在空气中高速飞行的物体表面能产生一千摄氏度以上的高温，甚至有可能超过3000摄氏度，差不多能烧毁大多数的物质。但是，为啥神舟飞船、嫦娥五号返回舱这些设备返回地球表面的时候并不会被烧毁呢？

　　要想让飞行器在空气中高速飞行而不被烧毁，就要在飞行器表面使用能够抵抗高温的防热材料。天舟货运飞船以及其他国家的多数货运飞船都没有使用这样的防热材料，也不打算往回回收，所以在返回大气层的时候是会被烧毁的。但是载人航天的航天器是必须要回收的，还有一些其他航天器也是需要回收回来的，另外，还有一些航天器是要在火星等其他星球上着陆的，这些航天器都需要采用防热材料进行保护。

　　所谓非烧蚀性的防热材料，就是选择一些熔点很高的材料制造的物质，这些物质可以抵抗很高的温度，把它贴在航天器表面，就可以帮助航天器扛过外界高温的炙烤。比如美国航天飞机使用的就是一种刚性的隔热瓦，能够耐受1700多摄氏度的高温。这种隔热瓦的最大好处就是可以重复使用，能够降低航天器重复使用的成本。

　　当然，仅仅只是能够耐受高温还不行，隔热瓦还要选择导热性能差的材料。航天飞机使用的隔热瓦，隔热性能非常好，外表面被烧红的情况下，内表面温度依然不会太高，能起到保护航天器主体结构的作用。与此同时，这种被烧红的隔热瓦，可以通过热辐射的方式把热量释放出去，从而减少热量的蓄积。

　　但是航天飞机用的那种隔热瓦，也存在一些缺陷。刚性的隔热瓦，在被撞击的情况下容易断裂或者破碎，一旦断裂或破碎，防热性能就会明显下降，也容易脱落。哥伦比亚号航天飞机就是因为隔热瓦脱落砸中燃料箱，带来了极其严重的后果。另外，靠自身熔点高硬抗高温的措施，并不是一劳永逸的。当飞行器降落速度过快，表面温度过高的时候，本来不烧蚀的材料，也会被烧蚀掉，从而给航天器带来风险。所以，在航天飞机以后，不烧蚀的隔热瓦就很少使用了。

　　比如从月球返回来的航天器，由于速度特别快，达到了第二宇宙速度，在大气层中产生的温度更高，能达到2900℃以上，一般材料是耐受不了这么高温度的。但是烧蚀性材料用到这样的场合就完全没有问题。这种材料通过烧蚀自己消耗的热量，从而减少热量往内部传输，也就降低了内部接触面的温度。这就像酒精燃烧一样，本来燃烧产生的火焰温度应该很高，但是由于酒精在燃烧的时候挥发吸热，所以直接跟酒精接触的表面并不会太烫。这种材料通过牺牲自己来保护航天器，给航天器带来更可靠的安全保证。

　　现代中国的神舟飞船也是全部采用这种高热烧蚀性的半导体防热材料，嫦娥五号返回舱也是使用烧蚀性的防热材料。实践证明，中国自己研发的烧蚀性防热材料耐受住了高温环境的考验。不仅是中国，像美国、俄罗斯的航天器热防护材料往往也都是选用烧蚀性的防热材料。就连美国重复使用的龙飞船，也是使用烧蚀性的防热材料PICA-X。而重返月球要用的猎户座飞船，也使用烧蚀性的防热材料，不过并没有跟龙飞船选择同一种材料，而是选择了跟阿波罗飞船一样的材料Avcoat。

　　烧蚀性材料性能优异，安全可靠，但是这种材料也存在明显的缺点，那就是只能一次性使用。烧蚀性材料使用一次以后，表面已经严重烧蚀了，肯定不能再用到下一次发射中去。对于一次性使用的航天器无所谓，但是对于可重复使用的航天器来说，就会带来高昂的更换成本。可重复使用的航天器，本来就是致力于节约成本，如果防热材料是一次性的，跟节约成本的初衷或多或少还是有些违背的。

　　虽然重复使用的龙飞船使用了烧蚀性防热材料，但下一代的载人航天器星舰却准备放弃烧蚀性防热材料。新舰的防热材料设计思路又回到了非烧蚀性材料上来。有朋友可能会说了，不是刚刚说过非烧蚀性材料的那些缺点吗？而且航天飞机使用非烧蚀性材料也没剩钱啊。怎么又要走回来了呢？

　　航天飞机当年的隔热瓦不省钱，一方面是当时的安装技术还不够先进，存在隔热瓦粘贴不牢靠的问题，存在隔热瓦不耐受外物撞击的问题，还存在多种不同类型隔热瓦共存的问题，总之，当时由于技术不先进，给隔热瓦带来了很多负面影响。

　　但是随着技术的提高，隔热瓦已经没有那么不堪了。而且SpaceX公司还突发奇想，设计了一个非常巧妙的方案，让非烧蚀性的隔热瓦能起到像烧蚀性隔热瓦一样耐受更高温度的作用。这种巧妙设计叫做发汗设计，就是不让隔热瓦本身发生烧蚀，而是在隔热瓦内部通过一定量的挥发性液体，这些挥发性液体在遇到高温的时候就会挥发，带走一部分热量，从而降低隔热瓦表面的温度。这就像人类发汗一样，通过发汗可以降低身体表面的温度，从而感觉比较凉爽。

　　防热材料的设计，除了要考虑防热性能本身以外，还要考虑材料的密度。对于航天器来说，重量就是成本，每增加一千克的重量，就会增加上百万美元的发射成本。为了降低发射成本，很多时候都会无所不用其极。比如货运飞船就会选择完全不回收的模式，最大化降低飞船自身的重量。而对于那些必须回收的航天器来说，就必须考虑采用更轻的材料，尤其是防热材料。

　　钢铁的防热性能很好，但是钢铁的密度太高了，增加航天器重量。类似的，很多防热性能很好但密度太高的物质往往都不会被选择做防热材料。航天飞机用的防热瓦密度达到1.6克每立方厘米，比水的密度高但比铝合金的密度低很多。但是这种密度在航天器用的防热材料中算是比较高的。阿波罗飞船使用的防热材料，密度只有0.55克每立方厘米，龙飞船使用的防热材料密度只有0.2-0.3克每立方厘米，龙飞船的防热材料密度只有铝的十分之一。这一类的材料，还用到了火星着陆探测上。而SpaceX准备在星舰上使用的非烧蚀性防热材料，密度也只有0.4克每立方厘米，是航天飞机选用材料密度的四分之一。可见，美国在研发低密度防热材料方面还是很下功夫的。

　　面对美国的技术封锁，中国的防热材料走了一条独立自主的路线，最早返回式卫星使用的防热材料密度是1.2克每立方厘米，神舟飞船使用的防热材料密度是0.71克每立方厘米，到了嫦娥五号返回舱这里，选用的防热材料密度下降到了0.4克每立方厘米，这种材料也用到了天问一号着陆器上。虽然中国的防热材料单从密度上来说，还比不上美国的防热材料，但总体上研发进度还是比较快的，而且能够满足工程任务的需要，性能也比较可靠。可见，中国独立自主的材料科学技术也是比较先进的。

　　未来，中国也会研发越来越多更高性能的防热材料，缩小与美国等国家等技术差距，最终也有可能实现赶超，我们期待那一天的到来。不过话说回来，虽然中国在这方面取得了一定成就，但是还有很长的路要走，毕竟我们的发展速度太快了，很多领域都需要进行突破。

（编辑：聊城站长网）

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