神舟十八号返航!外部被烧得黑不溜秋,为何发射的时候没被烧黑?

青菀杳声闻生 2024-11-07 11:49:02

文 | 青菀杳声闻

编辑 | 青菀杳声闻

前言

神舟十八号出发时光鲜亮丽,返回舱落地也备受瞩目,可它却落地后却黑不溜秋的,和刚出发的时候完全是两个样子,甚至有些“惨不忍睹”。

这次飞船返航“翻车”了吗?返回舱被烧黑的问题该如何解决呢?

返回舱

神舟十八号“黑”了

返回舱不是从天上“掉”下来的,而是以接近第一宇宙速度(7.9公里/秒)的高速冲进大气层,这速度,想想都刺激。

大气层可不是什么温柔乡,它更像一道“火墙”,返回舱以极快的速度冲进大气层,和空气摩擦产生大量热量,甚至能把钢铁熔化。

这可不是开玩笑的,局部温度能飙升到1000℃以上,比炼钢炉还热,普通的火箭碎片和卫星残骸在这种高温下直接就被烧得一干二净,连渣都不剩。

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那返回舱咋就扛住了呢?秘密武器就是它外面那层特殊的“防护衣”——烧蚀材料和隔热材料。

当返回舱与大气层摩擦产生高温时,这些材料会逐渐脱落、升华,带走大量的热量,就像烈火中的“冰盾”,保护着返回舱内部和航天员的安全。

这就好比古代的攻城战,城墙外面包着一层厚厚的泥土,用来抵御敌人的火攻。

烧蚀材料和隔热材料,就是返回舱的“泥土”,它们用“自毁”的方式,保护着里面的“城池”,那为啥发射的时候不会像返回时那样烧得“焦黑”呢?

这是因为火箭起飞后速度会慢慢加快,飞到大气层边缘时,速度大概能达到3公里每秒,火箭和飞船组合体很重,所以在初始阶段加速比较慢。

发射时,火箭受到的空气摩擦产生的热量并不大,不会把火箭烧黑。

而返回舱就不一样了,它返回时速度极快,而且质量相对较小,与空气的摩擦更加剧烈,产生的热量自然也更大,所以,返回舱“烧黑”是正常现象。

模拟返回舱与空气的摩擦场景

几十年来,烧蚀材料和隔热材料一直是航天器热防护的“主力军”,不过,这些缺点也不少,比如太重、价格高、用一次就扔了。

这些“硬伤”不仅减少了航天器的载货量,还让发射成本更高了。

为了解决这些问题,中美等国都在研发一种更轻、更经济、可重复使用的热防护设备——充气式防热罩,这东西听起来挺科幻的,但实际上道理挺简单的。

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发射时,它会收成像折叠伞那样,节省空间,回来的时候,它会胀成一个大“气囊”,把返回舱整个包住。

这个“气囊”不仅能起到隔热作用,还能增加空气阻力,减缓返回舱的速度,从而降低返回舱与大气层的摩擦产生的热量。

充气式防热罩的好处挺多的:轻便、便宜、还能重复用,而且,由于它能有效减缓返回舱的速度,返回舱的外形设计就不需要过多考虑气动布局,可以更加灵活。

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不过,研发充气式防热罩也遇到了不少难题,比如,它需要在高速冲击下顺利展开并维持外形,还要承受高温的灼烧。

更重要的是,确保它在返回时保持稳定,不翻滚或侧翻,也是个不小的挑战。

2020年,我国用长征五号B火箭发射了一个柔性充气式货物返回舱的试验舱,主要是为了测试这项新技术。

这个试验没完全成功,但我们学到了很多宝贵的经验,美国在这方面的研究也遇到类似的挑战。

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竞相研究的黑科技

美国NASA2022年11月成功测试了充气式再入减速系统(LOFTID),这是一项重要突破,LOFTID直径约6米,在轨道上成功展开并安全返回地球,证明了这项技术的可行性。

类似的测试他们做了不止一次,2012年的IRVE-3试验和2016年的LDSD试验等,这些测试积累了大量实际数据和经验。

NASA还计划在未来火星探测任务中应用这项技术,目标是实现20吨级载荷的火星软着陆。

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他们能这么计划也并不是空谈,因为他们在材料、结构设计、气动控制等方面都取得了重要进展,已经基本掌握了核心技术。

但我国对外宣传公布的情况没有他们这么乐观,除了2020年那次失败的实验,我国航天科技集团五院正在研制直径10米级的充气式防热罩,计划用于未来的载人登月任务。

值得注意的是,我国在材料研究方面取得进展,开发出耐高温的聚酰亚胺薄膜等新型材料。

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经过科研人员的不懈努力,我国已经掌握了充气式防热罩的基本原理和关键技术,只是还差一些实践来检验相关技术是否足够成熟。

我们能发现的问题,国家当然也能发现,于是我国在"十四五"期间开展更多的充气式防热罩试验,为未来深空探测任务做准备。

可暂时来看,美国在充气式防热罩技术上暂时领先于中国,因为美国已经完成了多次成功的飞行测试,而中国目前仅进行了一次试验。

防热罩

美国的技术成熟度更高,已经计划将其应用于实际任务中,他们的充气式防热罩尺寸更大,技术更加先进。

然而,我国在这一领域的发展速度很快,已经掌握了核心技术,正在快速追赶,在材料研究方面有独特优势,有望在某些方面实现突破。

再加上中国航天工业体系完整,有能力进行持续的技术攻关和试验,这样中国计划在未来几年内开展更多试验,有望缩小与美国的差距。

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虽然目前美国在充气式防热罩技术上领先,但考虑到中国航天事业的快速发展和强大的技术攻关能力,未来有望在这一领域实现赶超,两国在这一技术上的竞争与合作,将推动人类深空探测能力的不断提升。

中国航天的目标,是星辰大海,相信不久后,中国航天人会再次创下壮举,把五星红旗带上月球、火星,甚至更远的星球。

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信源:

60秒速览神舟十八号载人飞船返回舱成功着陆 2024-11-04 03:07·新华社

独家视频丨浓缩的精华!280秒回顾神十八发射全过程 2024-04-25 22:51:29来源:央视新闻客户端

NASA试验充气式热防护罩技术 中国载人航天 发布日期: 2009-08-25

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