为闯过2000度高温，中美，正加紧测试同款“防护罩”

综述

中学时我们就学过，流星就是一些小巧的天体穿越地球大气层时，因为与空气摩擦而闪耀出美丽的光芒。而也正是如此才保护了地球不会被太多陨石击中，因为它们在落地前就烧完了。

那么，如果一艘航天器从太空返回地球，将会经历何种极端的高温呢？答案相当可怕，因为这时产生的高温甚至有可能超过太阳！这也是为什么在各国的航天科技中，防火罩的研究都十分重要。

摩擦生热

航天器在踏入大气层时，通常飞行速度极高，比如每秒11公里，相当于每小时4万公里。这个速度远远超过声速，也就是空气分子传播声音的速度。

当航天器以超音速穿越大气时，它在前方形成一个高压气体锥体，将空气分子压缩在一起，使得它们的温度和压力急剧上升。这一过程被称为“气动加热”。

在人类开发和探索太空的历程中，曾多次发生因进入大气层引起的高温导致的航天事故。举例来说，在1967年4月，前苏联一名叫做科马罗夫的太空人在返回地球的过程中，因降落伞失灵、导致飞船坠毁而不幸丧生，成为世界上首位在太空任务中献身的宇航员。

1986年1月，美国挑战者号航天飞机从卡纳维拉尔角升空72秒后突发爆炸，还导致了上面的飞行员全部丧生。

事后调查显示，此次事故出问题的居然只是一个微小的橡胶部件——“O型环”。因为长期处在低温环境，导致橡胶已经没有原本的收缩能力了，推进器的密封性就无法保证，进而导致了泄漏，最终在高空爆炸解体。

同样，在1999年7月，俄罗斯一枚质子号运载火箭由于第二级发动机点火时爆炸，导致失控并坠毁于哈萨克斯坦的草原上。

这些事故给人类的航天事业带来了沉重的打击，同时也在航天安全方面敲响了警钟。为了避免航天器在进入大气层时被高温烧毁，人类制定了多种不同的热防护系统。

这些系统在原理和结构上各异，但它们都有一个共同的目标：通过各种方式，将航天器表面的热量散去，确保航天器内部的温度和压力维持在安全范围内。这些热防护系统的设计使得航天器能够在极端的温度条件下安全返回地球。

防火罩：人类对抗高温的探索

当航天飞行器从轨道返回大气层时，由于高速飞行带来的气动加热，飞行器的表面温度会急剧攀升，达到几千，甚至是上万摄氏度，为飞行器的结构和负荷提出了极大的挑战。

为了防止飞行器被高温烧毁，人类设计了各种类型的热防护系统（Thermal Protection System, TPS），而其中最关键的组成部分就是防火罩。

防火罩是一层材料，覆盖在飞行器表面，通过反射、隔热和烧蚀等方式来减缓飞行器受到的热流。

根据防火罩的工作原理和使用方式，可以将其分为以下几类：

• 激波防热：利用飞行器的形状产生激波，使大部分气流绕过飞行器，从而降低飞行器表面的热流密度。

这种方式适用于高超声速飞行，但要求飞行器具有较大的弹道系数，也就是说，飞行器的重量和体积相对较大，这可能对提高有效载荷不利。激波防热的典型代表是美国的X-15飞行器。

• 热沉防热：利用飞行器结构材料的高比热容，吸收大量热量，以保持飞行器表面温度在可承受的范围内。

这种方式适用于短时间的再入飞行，但要求飞行器的结构材料具有较高的强度和耐温性，同时也会增加飞行器的重量。热沉防热的典型代表是美国的水星计划飞行器。

• 烧蚀防热：利用飞行器表面材料在高温下发生烧蚀，即物理或化学的分解，从而带走部分热量，同时形成一层保护层，阻止热流的进一步传递。

这种方式适用于长时间的再入飞行，但要求飞行器表面材料具有较高的热稳定性和烧蚀性能，同时也会导致飞行器表面的损耗。烧蚀防热的典型代表是美国的阿波罗计划飞行器。

• 可重复使用热防护：利用飞行器表面的材料可以在多次再入飞行中重复使用，无需更换或修复，从而降低飞行器的运行成本和维护难度。

这种方式适用于可重复使用的飞行器，但要求飞行器表面材料具有高耐久性和可靠性，同时还要满足轻质化和高效隔热的要求。可重复使用热防护的典型代表是美国的航天飞机。

中美两国的研究对比

充气式再入减速系统是当前航天领域备受关注的新兴技术，为航天器再入返回提供了一种创新途径。

这种系统以轻量化、阻力面积较大以及产生的气动热量较小等明显优势而著称，为航天员的应急返回、深空探测以及有效载荷的回收提供了新的技术选择。中美两国目前都积极开展充气式再入减速系统的研究和试验，不过在细节上有些不同。

美国在充气式再入减速系统方面走在了前列，早在上世纪60年代就开始了相关研究和试验。他们研究的主要有两种类型：堆叠圆环型和双层锥形充气囊型。

堆叠圆环型是指在飞行器前端安装多个圆环状的充气结构，形成一个类似于蘑菇的气动外形，以增加阻力面积、降低飞行器的弹道系数。

上世纪60年代，美国进行了一系列堆叠圆环型充气式再入减速器的飞行试验。这些试验证实了堆叠圆环型充气式再入减速器的可行性和有效性，但也暴露出了一些问题，如充气结构的稳定性、姿态控制的难度、热防护材料的选择等。

双层锥形充气囊型是指在飞行器前端安装一个双层的锥形充气囊，形成一个类似于伞的气动外形，以增加阻力面积、降低飞行器的弹道系数。

美国自2000年代开始研究双层锥形充气囊型充气式再入减速器，并通过一系列试验验证了双层锥形充气囊型充气式再入减速器的可行性和有效性，但也面临如提高充气效率、优化气动特性以及改进热防护材料等方面的问题。

美国的充气式再入减速系统的研究和试验取得的成果，为深空探测和有效载荷的回收提供了一种新的技术方案。

美国计划在2020年代使用充气式再入减速系统执行一些重要的航天任务，如火星探测、小行星采样返回等。

中国在充气式再入减速系统领域可谓后起之秀，主要尝试了两种类型：单充气环薄膜型和双层锥形充气囊型。

单充气环薄膜型是指在飞行器前端安装一个单层的环状薄膜结构，形成一个类似于圆盘的气动外形，以增加阻力面积、降低飞行器的弹道系数。

自2000年起，中国进行了一系列单充气环薄膜型充气式再入减速器的飞行试验。另一种类型则与老美的差不多。

美国在这一领域的研究始于较早时期，技术较为成熟，开展了大量试验。相比之下，中国的充气式再入减速系统研究相对较晚，技术更富创新性，试验规模较小，但在充气结构的强度、热防护材料的耐久性、姿态控制的精度等方面表现出一些优势。

结语

中美两国在充气式再入减速系统的研究和应用方面都面临广阔的前景和潜力。然而，为了共同推动这项技术的发展和进步，两国需要加强合作和交流，分享各自的经验和成果，共同应对面临的技术难题，推动这一领域的不断创新。合作将为全球航天事业的可持续发展提供更为坚实的基础。

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