专题03 神舟飞船中的热-【聚焦前沿】神舟飞船中的物理（初中版）

专题03 神舟飞船中的热 神舟飞船的防热材料 作者：罗丽娟，中国运载火箭技术研究院高级工程师 大家好，我是罗丽娟，来自中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所。今天我要给大家介绍一种材料——低密度烧蚀防热材料，这个材料是干什么用的呢？这是神舟飞船的防热材料。这个材料可以承受2000度的高温，保护神舟飞船平安回家。 1/ 神舟飞船的防热材料 飞船再入大气的时候速度有7.8公里/秒，这个速度有多快呢？我们从北京到天津，乘坐高铁需要30分钟，但如果我们乘坐的是神舟飞船，只需要15秒。 我们的材料最终用的是蜂窝增强低密度材料。就像图片中展示的这样，它是不是特别像蜜蜂窝？这就是它名字的由来。 飞船在很高的速度下，表面温度会非常高，大气层和飞船表面会产生非常强烈的摩擦作用。强烈的摩擦使飞船表面的温度高达2000度以上，整个载入过程有530秒。但是神舟飞船里面是有航天员的，所以里面的温度不能超过30度，这就需要一种高效的热防护材料，就是这种材料了。 这个材料在高温的过程中会发生分解、抗化、升华一系列的吸热反应，从而带走大量的热量，保护内部结构。大家这样听起来是不是特别像蜡烛？燃烧自己，照亮别人。实际上我们这个材料要悲壮得多。 据航天员回忆说，高温把舷窗外烧得一片通红，紧接着在通红的窗外，红的、白的碎片不停的滑过，这就是我们材料工作时的样子。 那这个材料这么好，能不能用于民用？目前来说是没有的，但是我姐夫这个人特别敢想敢做。他有一天打电话问我说：“小妹，我在博物馆里面看到你们的飞船了，你们的飞船表面烧得像一个黑锅一样。但是我看到下面有名牌标识，说可以使用温度达2000多度。最近我刚接了一个项目做锅炉的防热，你们这个材料这么好，能不能用在我这上面？” 我听了以后，觉得这个锅炉和飞船差别太大了，但是我还是想回答一下这个问题。我说：“感觉这个材料不太适合你们，我们这个烧蚀材料，是一次性的，只有530秒。你这个锅炉是长年累月地用，怎么也得几年换一次材料吧。再说，我们这个材料挺贵的，要8000块钱一公斤。” 他说：“啥？你们这个材料这么贵，只能用这么短的时间？”然后匆忙打断了我的话。我心里挺难受的，想为我的材料叫屈。这个材料明明国际领先，而且拿过很多大奖。但是我想了想，这可能是一个个例，就没有太往心里去。 过了一段时间，我参加了一个包含很多部门的协调会。我所在的部门是一个材料成型部门，负责出材料、出构件、出产品。我的上游是一个结构方系统部门，他们是专门负责把一个总体的条件转化成材料的指标要求提给我们，是我们的甲方。于是在会议间歇，我问：“你们大学时学的是什么专业呀？”他说学的是热能与动力工程，他看见我对这个没有什么反应，他就补充说这个专业是烧锅炉的。 既然如此，我觉得需要认真地把锅炉用隔热材料和神舟飞船用防热材料来做一个对比。 一般来说，我们接到任何一个防热产品任务的时候，都要看它的使用环境要求。比如这个锅炉，它的使用环境是550度的蒸汽温度，它想使用隔热材料的目的是降低热损耗，那么就可以用一些轻质的隔热毡材料。我在淘宝上搜了一下，这个材料挺多的，最便宜的才5块钱一公斤，怪不得我姐夫听到8000块钱的报价很咂舌。 这个锅炉有一个最大的好处，它是放在地面上的，它不受重量和空间的限制。也就是说，如果我想让它的防热效率更高，隔热效率更高，就可以多糊几层防热材料。就好比说我们冬天觉得很冷，如果经济条件不太好，多穿几层也可以御寒，不一定非得穿得轻薄还保暖，但是非常贵的衣服。 但神舟飞船就不一样了，它使用的环境温度有2000多度，它对重量要求非常苛刻。这是为什么呢？ 以价格取胜的民用航天公司Space X公司，对它新研制的猎鹰9号火箭的单发报价是5400万美元，如果加上龙飞船，单发报价是1.33亿美元。飞船防热材料占整个系统结构重量的45%，如果我们把这个防热材料的密度降低10%，就可以节约出58公斤的重量，相当于一个航天员的重量。所以减重是非常有必要的，即使它的代价是8000块钱每公斤，依旧非常划算。 除了减重以外，我们还要考虑飞船一些其他应用空间的环境问题。虽然我们这个材料最终使用的时间只有最后10分钟，但是前期要经历一个空间环境，就是在轨道上。 我们人类非常幸运，在地球上待着，因为有大气层的保护，所以一年四季的温差，也就是零下20多度到零上30度的样子，一天内的温度差也不会特别大。但是在轨道上就没有这么幸运了。轨道的温度变化范围是零下120度到零上120度，神舟飞船在上面每90分钟，就要经历这样一个高低温交变循环。 任何材料都是会发生热胀冷缩的，而每种材料的膨胀收缩率又不一样。如果把防热材料和里面的承力结构材料硬捆在一起，又不做任何处理，应力就足以使防热层开裂，那么后续返回的时候就会发生不能想象的后果了。 美国的阿波罗飞船是怎么解决这个问题的呢？它在