中新網(wǎng)10月16日電 題：防熱技術(shù)關(guān)--飛船防熱衣輕薄透
——中國(guó)神舟神箭研制的12大攻關(guān)奇跡之九
作者：劉思燕
飛船返回艙在以7.5公里/秒的速度返回降落時(shí)，表面溫度會(huì)達(dá)到攝氏七八千度，所以在返回階段，飛船的防熱設(shè)計(jì)非常重要，因?yàn)槿绻藭r(shí)防熱出了問(wèn)題，飛船必然燒毀無(wú)疑。
2001年11月，在第三屆珠海航展上出現(xiàn)的神舟一號(hào)飛船的被燒蝕得有些斑駁的返回艙，曾是展會(huì)上最吸引參觀者眼球的一道亮麗的風(fēng)景。實(shí)際上，從1999年底神舟一號(hào)飛船勝利返航后，就一直停靠在北京航天城的返回艙一直承受著眾多關(guān)注的目光。默不做聲的返回艙似乎在用自己并不好看的“黑臉”向人們無(wú)聲卻自豪地訴說(shuō)著飛船防熱衣的故事。
說(shuō)到神舟飛船的防熱系統(tǒng)，我們有必要先來(lái)普及一下關(guān)于防熱系統(tǒng)的知識(shí)。飛船以高速進(jìn)入大氣時(shí)產(chǎn)生的熱量足以使一般沒有防熱措施的航天器在大氣中焚毀。解決飛船再入防熱的途徑有兩個(gè)，一是設(shè)法減少來(lái)流熱量的氣動(dòng)加熱；第二是設(shè)法吸收或耗散熱量。前者是氣動(dòng)外型設(shè)計(jì)的研究范疇，后一個(gè)就是防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要達(dá)到的目的。
航天器防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是要設(shè)計(jì)出一種能經(jīng)受這類加熱環(huán)境而不至于在大氣層中發(fā)生過(guò)熱和燒毀的航天器結(jié)構(gòu)。用句通俗的話說(shuō)就是給航天器穿上防熱衣。當(dāng)然這種防熱衣是雙向的，既要能防熱又要能散熱。
防熱結(jié)構(gòu)及防熱材料至今已經(jīng)歷了幾代航天器的發(fā)展。最原始的防熱方法是簡(jiǎn)單地在航天器的外表蒙上厚厚的銅或銅合金。原理是通過(guò)材料本身的熱容來(lái)吸熱；再后來(lái)防熱用上了利用材料的熱解、熔化、蒸發(fā)等方式散熱的燒蝕材料，包括石棉或玻璃等與一種叫酚醛的物質(zhì)組成的無(wú)機(jī)復(fù)合材料。這種方法就是目前包括神舟飛船在內(nèi)的眾多飛船所普遍采用的方法。不過(guò)早期的衛(wèi)星、飛船大多數(shù)就簡(jiǎn)單地沿用導(dǎo)彈彈頭的防熱技術(shù)，在防熱材料的選擇上存在失誤，防熱材料密度過(guò)大、結(jié)構(gòu)過(guò)于笨重，因而，長(zhǎng)期以來(lái)，防熱材料的密度和重量成為影響防熱結(jié)構(gòu)效果的瓶頸。
我們?cè)賮?lái)看一組數(shù)據(jù)：直徑2.5米的神舟飛船表面積有22.4平方米，目前使用的防熱材料總重量約500千克。俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)直徑是2米，表面積是17平方米，它的防熱衣的重量是700千克。單從這個(gè)指標(biāo)，我們可以說(shuō)，中國(guó)飛船的防熱技術(shù)在前人的基礎(chǔ)上有了新的提高，所謂起點(diǎn)高。憑借中國(guó)人的聰明才智，因而我們的飛船防熱技術(shù)中采用的獨(dú)特的材料和先進(jìn)的設(shè)計(jì)讓飛船研制的先驅(qū)國(guó)--俄羅斯的科學(xué)家也不得不另眼相看。并因此，隨著神舟一號(hào)飛船的勝利返回，飛船的防熱設(shè)計(jì)獲得了2000年度國(guó)防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
在國(guó)外，驗(yàn)證飛船的防熱設(shè)計(jì)，往往要靠毀掉一艘飛船為代價(jià)。也就是為驗(yàn)證飛船的防熱設(shè)計(jì)要專門發(fā)射一艘飛船。
而在我國(guó)，為節(jié)約成本，飛船的防熱設(shè)計(jì)同飛船的其他大多數(shù)部件一樣只能在地面模擬“練兵”，即完全靠充分的分析與地面試驗(yàn)。“練兵”時(shí)出現(xiàn)了諸多“攔路虎”，像舷窗部分的防熱設(shè)計(jì)、上天之前的驗(yàn)證、防熱材料的選擇、材料的尋找等等。
一個(gè)飛船上有20多個(gè)類似舷窗、傘艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙的開孔部分，就是所謂的“窗口”部分。由于飛船防熱的雙向的要求，這么多的“窗口”就意味著將為飛船防熱設(shè)計(jì)帶來(lái)“又要封閉又要防熱”的矛盾。聰明的設(shè)計(jì)者將舷窗設(shè)計(jì)成多層，最外層采用耐高溫的材料，這種外層玻璃只隔熱但不密封，這樣就把矛盾巧妙地化解了。中間多層玻璃之間采用真空密封設(shè)計(jì)，如果有一層玻璃遭到破壞，里面的玻璃仍可繼續(xù)承擔(dān)舷窗的重任。
防熱材料的預(yù)先判斷是防熱設(shè)計(jì)遇到的又一只“攔路虎”。由于飛船表面不是一個(gè)光滑整體，上面像穩(wěn)定翼等突出部分不少，因而飛船上需要進(jìn)行不同的防熱設(shè)計(jì)的部位不下12、3個(gè)，每個(gè)部位又需要5、6次的試驗(yàn)，加起來(lái)就是上百次的試驗(yàn)。不少大型部件如發(fā)動(dòng)機(jī)罩、傘艙蓋等的試驗(yàn)需要尺寸和材料全部真實(shí)的結(jié)構(gòu)，而大型試驗(yàn)所需的燒蝕風(fēng)洞所用的電量相當(dāng)于一個(gè)小城所用的電量，在國(guó)內(nèi)也同樣找不到試驗(yàn)場(chǎng)所，所以在極大多數(shù)試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)進(jìn)行外，少量大型試驗(yàn)只好移師俄羅斯。
防熱材料是從幾十種材料中篩選出來(lái)的，由于飛船重量的限制，防熱材料要求是低密度的燒蝕材料。為進(jìn)一步將重量降下來(lái)，在材料的使用上采用了蜂窩格的設(shè)計(jì)，材料的這種既有密度又有疏松的“鋪裝”設(shè)計(jì)，保證了神舟飛船穿上的是輕薄的防熱衣。但是這種防熱材料的設(shè)計(jì)當(dāng)初卻頂著不小的壓力。為了打消不少人的關(guān)于神舟飛船防熱設(shè)計(jì)太輕薄的疑問(wèn)，設(shè)計(jì)人員用事實(shí)說(shuō)話。試驗(yàn)、論證的結(jié)果驗(yàn)證了聰明的中國(guó)設(shè)計(jì)師們的設(shè)計(jì)。
1998年底到1999年，神舟飛船防熱設(shè)計(jì)人員先后多次前往俄羅斯做試驗(yàn)。對(duì)中國(guó)的飛船防熱設(shè)計(jì)，俄羅斯專家起初流露出的是不屑的眼神。但是幾次試驗(yàn)下來(lái)，俄專家的態(tài)度開始發(fā)生了變化，由不屑變成了欽佩。以至后來(lái)為了一個(gè)在俄無(wú)法實(shí)施的項(xiàng)目，俄專家想到了求救于“有本事”的中國(guó)防熱專家。
