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技不如人?我国返回舱着陆后焦黑,美俄却比较干净,总师给出答案

神舟十三号返回过程中有这样一幕:返回舱穿越大气层时变成一个熊熊燃烧的火球,后面还拖着长长的火尾。虽然火光很耀眼,但大家却很揪心,因为火球中可是有三名航天员呀!很多人生怕太热了,一下子就烧没了。还好在这过程中时不时能听到航天员回复“感觉良好”。

在神舟十号任务返回后,王亚平曾谈到过在“火球”中的体验:

外面是几千度的高温,透过舷窗看到火烧得很红。耳朵能听到火烧得呼呼的,噼里啪啦的声音,这就是一个几千度高温的大火球。用开玩笑的话说,就像西游记里,孙悟空在太上老君炼丹炉里的感觉一样。

神舟十三号返回舱着陆后,舱体面目全非,有一面就像彻底烧焦了一样。那么问题来了,舱外2000多度高温,为何舱内航天员依旧能“感觉良好”?返回舱为何烧得这么黑?是防热材料不行吗?

升华

在一次公开课上,中国工程院院士王浚从物理角度回答了这个问题。王浚院士解释,返回舱时表面的防热材料受到高温会从固态直接升华成气态。

众所周知,冰加热会融化成水,水加热会形成水蒸气。其他物体也是一个道理,物体从固态转变成气态的过程是一个吸热的过程。

王浚院士表示,防热材料受热升华的过程可以吸收返回舱返回时的大部分热量。剩余的热量可以通过隔热层阻挡住,最终传递到舱内的热量会大大减少。舱内还有温度调节系统进行降温,从而保证舱内温度始终在25度左右。

防热材料的要求

在神舟飞船返回过程中,返回舱速度最高能达到8000米/秒。与大气层高速摩擦过程中,舱体大部分区域需要应对千度高温,底部边缘需要应对近3000度的高温。这是因为返回舱再入大气时底部朝下,边缘摩擦最为剧烈。为此返回舱底部会装上更耐热的防热大底加以保护。

此外,返回舱气动加热时间很长,飞船综合加热量可达到12万千焦/平方米,仅高温灼烧就会持续4-6分钟左右。

如果仅从物理的角度分析,用普通防热材料将返回舱裹上里三层外三层也会瞬间被烧穿。此外,返回舱对防热材料的强度也有严格的要求,只要防热材料出现一条裂痕就足以导致严重的后果。

2003年1月16日,美国哥伦比亚号航天飞机发射时,航天飞机与外挂燃料箱连接管道上,有泡沫碎块(用于保温)发生了脱落,砸到了机翼。这导致机翼上特殊材料制成的隔热瓦出现了25厘米的裂痕。

当天,哥伦比亚号完成任务再入大气返回,当速度达到近8000m/s时,机翼裂痕附近高达3000度的气体瞬间冲入机舱,最终导致飞机解体,舱内的乘客只找到了部分瞬间被高温碳化的肢体。

有人可能会说,那三层不够再来三层,强度不够就多来些材料压实点。然而问题并没有那么简单,返回舱的大小与重量需要满足火箭运载和任务的需求。

防热衣

为了解决返回舱防热,同时满足强度、体积、重量等问题。我国在西方卡脖子的情况下,从零开始,自主研发出了大量隔热材料。仅仅是为神舟系列研制的防热材料就高达100多种。

目前,神舟系列防热结构采用“全烧蚀”方案。这就是王浚院士说的,通过防热材料状态的改变吸走热量的方案。神舟系列的防热承力结构为蜂窝状,材料为玻璃钢。据神舟十三号返回舱防热结构工程师梁馨介绍,在相同材料,相同密度的情况下,蜂窝的强度是最高的。

蜂窝网格中填充的烧蚀材料是集防热、隔热、承载为一体的复合材料。混合了酚醛空心微球、玻璃空心微球、增强纤维以及某些树脂等材料。这是根据神舟返回舱的数据,专门按照神舟返回舱的减重、防热需求开发的。

根据舱体各处受热情况不同,各处填充的防热材料配比、密度也不同,就连防热大底与大底边缘拐角处所填充的材料都不同。这样做可以在大大减轻重量的情况下,让返回舱的防热性能发挥到极致。

焦黑”是技术强的体现

曾有小伙伴提问:神舟十三号返回舱烧得焦黑,外国的返回舱的颜色相对较浅,特别是美国SpaceX的龙飞船,可以重复利用,每次都跟新的一样,真的是技不如人?

返回舱舱体表面分为金属层与防热层。我国自主研发的新合金材料,要比美国的铝镁合金的强度更高。由于不同国家、不同返回舱或飞船的防热方式不同,因此返回后舱体表面情况也不同。

我国采用的是“全烧蚀”方案,主要靠的是吸热,可以理解为通过充分“燃烧”材料达到防热效果。虽然烧得焦黑,但烧蚀后表面不会出现破损。如果舱体不是焦黑的,反而说明材料没有起到防热作用。烧得越黑,说明传入舱内的热量就越少。

实际上,由于我国制造能力大幅度提高,在烧蚀材料技术上,我国也比其他国家更强,包括美国。央视采访时,载人航天工程飞船系统总设计师张柏楠就曾表示:

我们不能老跟别人学,要做就做自己。可以说,在防热材料的设计上我国应该已经超过了美国。