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 )達到攝氏七八千度，所以在返回階段，飛船的防熱設計非常重要，因為如果此時(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的神舟一號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(guān)者眼球的一道亮麗的風(fēng)景。實(shí)際上，從1999年底神舟一號飛船勝利返航后，就一直�？吭诒本┖教斐堑姆祷嘏撘恢背惺苤�(zhù)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(zhù)飛船防熱衣的故事。
說(shuō)到神舟飛船的防熱系統，我們有必要先來(lái)普及一下關(guān)于防熱系統的知識。飛船以高速進(jìn)入大氣時(shí)產(chǎn)生的熱量足以使一般沒(méi)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)，一是設法減少來(lái)流熱量的氣動(dòng)加熱；第二是設法吸收或耗散熱量。前者是氣動(dòng)外型設計的研究范疇，后一個(gè)就是防熱結構設計要達到的目的。
航天器防熱結構設計的任務(wù)就是要設計出一種能經(jīng)受這類(lèi)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構。用句通俗的話(huà)說(shuō)就是給航天器穿上防熱衣。當然這種防熱衣是雙向的，既要能防熱又要能散熱。
防熱結構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)機復合材料。這種方法就是目前包括神舟飛船在內的眾多飛船所普遍采用的方法。不過(guò)早期的衛星、飛船大多數就簡(jiǎn)單地沿用導彈彈頭的防熱技術(shù)，在防熱材料的選擇上存在失誤，防熱材料密度過(guò)大、結構過(guò)于笨重，因而，長(cháng)期以來(lái)，防熱材料的密度和重量成為影響防熱結構效果的瓶頸。
我們再來(lái)看一組數據：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，我們可以說(shuō)，中國飛船的防熱技術(shù)在前人的基礎上有了新的提高，所謂起點(diǎn)高。憑借中國人的聰明才智，因而我們的飛船防熱技術(shù)中采用的獨特的材料和先進(jìn)的設計讓飛船研制的先驅國--俄羅斯的科學(xué)家也不得不另眼相看。并因此，隨著(zhù)神舟一號飛船的勝利返回，飛船的防熱設計獲得了2000年度國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎。
在國外，驗證飛船的防熱設計，往往要靠毀掉一艘飛船為代價(jià)。也就是為驗證飛船的防熱設計要專(zhuān)門(mén)發(fā)射一艘飛船。
而在我國，為節約成本，飛船的防熱設計同飛船的其他大多數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�！熬毐睍r(shí)出現了諸多“攔路虎”，像舷窗部分的防熱設計、上天之前的驗證、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(lèi)似舷窗、傘艙、發(fā)動(dòng)機艙的開(kāi)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(zhù)將為飛船防熱設計帶來(lái)“又要封閉又要防熱”的矛盾。聰明的設計者將舷窗設計成多層，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計，如果有一層玻璃遭到破壞，里面的玻璃仍可繼續承擔舷窗的重任。
防熱材料的預先判斷是防熱設計遇到的又一只“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)行不同的防熱設計的部位不下12、3個(gè)，每個(gè)部位又需要5、6次的試驗，加起來(lái)就是上百次的試驗。不少大型部件如發(fā)動(dòng)機罩、傘艙蓋等的試驗需要尺寸和材料全部真實(shí)的結構，而大型試驗所需的燒蝕風(fēng)洞所用的電量相當于一個(gè)小城所用的電量，在國內也同樣找不到試驗場(chǎng)所，所以在極大多數試驗在國內進(jìn)行外，少量大型試驗只好移師俄羅斯。
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計，材料的這種既有密度又有疏松的“鋪裝”設計，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計當初卻頂著(zhù)不小的壓力。為了打消不少人的關(guān)于神舟飛船防熱設計太輕薄的疑問(wèn)，設計人員用事實(shí)說(shuō)話(huà)。試驗、論證的結果驗證了聰明的中國設計師們的設計。
1998年底到1999年，神舟飛船防熱設計人員先后多次前往俄羅斯做試驗。對中國的飛船防熱設計，俄羅斯專(zhuān)家起初流露出的是不屑的眼神。但是幾次試驗下來(lái)，俄專(zhuān)家的態(tài)度開(kāi)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)施的項目，俄專(zhuān)家想到了求救于“有本事”的中國防熱專(zhuān)家。
