载人航天器的“避火衣”

<p>　　载人航天器返回地球大气层的时候，基本没有机动性，完全是一种自由落体运动，这样的速度是极快的。为了让它的速度慢下来，需要用到降落伞来减速，减速的目的是要避免它跟大气层的剧烈摩擦，因为这种摩擦产生的高温是任何物体都承受不了的，它高到1700多度，有时甚至达到3000多度。这样的高温将会使物体烧蚀掉，就像流星那样，最后烧蚀的不剩一点物质。但是，航天器是要完好地降落到地面上，绝对不允许这样的高温。因为航天器的里面有着珍贵的实验仪器和设备，更重要的是宇航员的生命需要受到保障。 </p><p>　　为了抵御返回大气层时所产生的高温，顺利地返回地面，载人航天器需要有高超的隔热能力，这就要求科学家给它穿上一件“避火衣”。对于载人航天器来说，依据返回的方式不同，它所穿的“避火衣”也有着不同的形式。 </p><p>　　</p><p>　　<strong>一次性飞船的“避火衣” </strong></p><p>　　飞船作为载人航天器，是一次性的，它使用一次后基本就不能使用了，比如中国的神舟飞船和俄罗斯的联盟飞船都是一次性的。</p><p>　　既然是一次性使用，对于“避火衣”的要求不是那么高，这种“避火衣”是一种瞬间耐高温材料，它只能在短时间内起到作用，也就是返回地球的短短十几分钟内。 </p><p>　　这种“避火衣”的材料是一种特殊纤维材料，或者是多孔颗粒物资再加上有机物，它们具有良好的导热功能。在具体使用的时候，飞船的各个部分使用的厚度是不同的，它经过了精心的设计和计算。 </p><p>　　当飞船重返大气层的时候，剧烈的高温将会使这层隔热材料发生奇妙的变化，它们首先会燃烧起来，变成气体，这样就吸收了大量的热量，变成气体之后它们还会蒸发掉，蒸发的过程又带走了一些热量。 </p><p>　　另一方面，这些隔热材料在燃烧完毕之后，剩下的是碳化层，它们往往具有很多的孔洞，这些孔洞也有一个好处，它们加大了飞船的表面积，这种表面积的增大让飞船的底部有更多的面积与大气层接触，有利于传导热量，让它所受到的热量可以更好地向周边扩散。 </p><p>　　“避火衣”完全燃烧之后就只剩这些孔洞，飞船的底部一团漆黑可以证明“避火衣”牺牲自己，换来了飞船的安全。尽管飞船的内部设施良好，但是为了安全起见，飞船完成这次使命之后就不再使用了。 </p><p>　　<strong></strong></p><p>　　航天飞机的“避火衣”</p><p>　　与飞船不一样，航天飞机需要重复使用，对隔热性能就提出了更高的要求，所以它的“避火衣”也就更高明。 </p><p>　　飞船在返回地面的时候，尽量采用大头朝下的方式，航天飞机在返回地面的时候，也与此类似，它在进入大气层的时候，不是一下子头朝下扎下来，而是尽量多地与大气层接触，这样也有利于热量传导到飞机。 </p><p>　　但这个措施还是远远不够的，它还要穿上“避火衣”。航天飞机的“避火衣”跟一次性使用飞船比起来要复杂得多，但是听起来似乎不可思议，航天飞机的“避火衣”竟然是陶瓷制作的。当然这不是我们生活中经常使用的陶瓷，这种陶瓷是古老的技术和现代技术相结合的产物，它是一种新型复合陶瓷，这种新型复合高温陶瓷主要由两部分组成，外层是高辐射陶瓷材料，而内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维，它们合在一起有三厘米的厚度，像一片片的瓦那样贴在机身上面，这就是航天飞机的“避火衣”。 </p><p>　　防热瓦也有自我牺牲精神，它把热量全部吸收了，而不传给防热瓦下面的金属机身，虽然外面的温度可以接近两千度，但是飞机的内部基本上没有什么变化。但是防热瓦本身却被损害，变得面目全非，。所以，对航天飞机来说，虽然它本身不是一次性的，但它的“避火衣”是一次性的。当它从太空回到地面以后，地面维护人员就要把贴在它身上的防热瓦一块块地揭掉，然后换上新的防热瓦，等候着下一次出征。 </p><p>　　<strong></strong></p><p>　　新的研究课题</p><p>　　在发展航天技术的早期，为了解决飞船的防热问题，采用了一种较为简单的办法，尽量多地吸收热量，它们一般具有很高的吸热能力，在这层材料的下面，采用隔热系统，以阻止热量向飞船的内部扩散。但是，这样的“避火衣”重量很大，使飞船在发射的时候白白地耗费了很多的能量，现在这种方式已经基本不适用了。 </p><p>　　低导热多孔复合材料也仅仅是装备一次性飞船，航天技术要想发展，必须要使用可以重复使用的飞船，就像航天飞机那样。但是，航天飞机的“避火衣”至今还存在着很多的缺陷，比如，它的防热瓦贴在航天飞机的外部，并不是很牢固的，有时候也会脱落，因为防热瓦的脱落，曾导致过航天飞机两次重大的灾难。 </p><p>　　正因为如此，美国航天局正在考虑是否可以把陶瓷防热瓦外面的一层改作成金属的，这是一种耐高温合金，这样就可以大大增加“避火衣”的抗撞击能力。目前俄罗斯正在研制一种快速帆船，它跟航天飞机一样，是一种可以重复使用的航天器。它穿的将会是暴风雪航天飞机的“避火衣”，但是，暴风雪航天飞机的“避火衣”是没有经过时间考验的，所以，快速帆船的“避火衣”效果如何，也是一个未知数。 </p><p>　　载人航天技术的发展，在很大程度上，依赖于“避火衣”的研制，一般来说，未来载人航天器的“避火衣”将会逐渐减轻自身的体重，每减少一公斤，就可以使推动火箭的推力减少500公斤，如果现代的“避火衣”能够减少重量的15％，那么可以使航天器的上升高度提高10％。这也给材料科学家们提出了一个难题，目前，他们正在想办法克服困难，希望在新材料的研制中有所突破，为载人航天器制作出来更加轻，更加耐热的“避火衣”。  （戴铭珏） </p><p>　　来源：国家航天局网</p><p>　　</p><br />