有來有去，可不容易

饅頭老妖，南京大學(xué)化學(xué)博士、西華大學(xué)生物工程學(xué)院講師。《視覺之旅：化學(xué)世界的分子奧秘（彩色典藏版）》《地球簡史》等圖書譯者、吳大猷科學(xué)普及著作獎獲得者（譯著類），撰寫過大量科普文章，熱衷于寫偵探小說。

在人類沖出宇宙、探索宇宙的過程中，“怎么過去”的問題往往占據(jù)了絕大部分資源，而到了載人航天的階段，“怎么回來”的問題，就顯得非常重要了。或許你會認(rèn)為既然能去，回來自然是簡單的。但事實上，要讓航天員平安回家，還真不是一件簡單的事，需要克服方方面面的難題，其中一個，就是如何應(yīng)對大氣層的嚴(yán)峻考驗。

大氣層帶來的樂與憂

我們都知道，地球的最外圍有一層稠密的大氣層。正是大氣層扛住了各種宇宙中路過的小天體及其碎片，保護(hù)了地球表面的生物。這些路過的小天體和碎片會在墜落的過程中和空氣產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生大量的熱，進(jìn)而被燒毀、蒸發(fā)。倘若沒有大氣層的保護(hù)，那地球就會被砸得“狼狽不堪”，地表上布滿各種環(huán)形山，人類文明也就不可能存在了。

大氣層的保護(hù)雖然重要，但對于要返回地球的航天器而言，大氣層卻是一個不得不面對的巨大障礙。因為無論是航天飛機(jī)還是宇宙飛船，在返回地球、進(jìn)入大氣層之前，都會以高超音速（指物體的速度超過5倍音速）環(huán)繞地球飛行，比如，神舟十號的每秒飛行距離就高達(dá)7.9千米。但是，這樣的高速會使得航天器和高速墜落的隕石一樣，遭受大氣層的劇烈摩擦和沖擊，從而被燒毀。如何減速，是航天器面臨的巨大難題。

航天飛船的減速，并不像汽車剎車那么簡單。大氣層外空氣稀薄，幾乎沒有空氣阻力，減速只能依靠飛船尾部火箭的反推作用進(jìn)行，但飛船攜帶的燃料有限，不僅要用于減速，還要預(yù)留給飛船進(jìn)入大氣層后調(diào)整姿態(tài)。這也就導(dǎo)致飛船返回再次進(jìn)入大氣時，航天器的速度依然會保持在亞音速上（神舟飛船的返航速度大致為200米/秒）。而這個速度意味著，飛船仍然會有很高的風(fēng)險。

航天器設(shè)計上的多重挑戰(zhàn)

航天器和大氣層之間的摩擦，最直接的后果就是產(chǎn)生巨大的熱量，從而導(dǎo)致航天器表面的溫度飆升。從實際測量的數(shù)據(jù)來看，航天器迎風(fēng)面（就是正對地球的方向）的表面溫度最高可達(dá)1600℃以上——而常見的鋼鐵，熔點在1500℃左右，瞬間就會變成液體。當(dāng)然，還等不到這些材料變成液體，它們就早已軟化、脆裂，讓整個航天器變成碎塊了。

航天器都無法承受的高溫，人類就更不能承受了。人類能耐受的最高溫度，至多也就50℃左右。因此，不僅航天器的外壁需要耐熱，還必須確保這些熱量不會被傳導(dǎo)進(jìn)艙內(nèi)，才能保證航天員的生命安全。

除了高溫之外，航天器和大氣層之間的摩擦還會帶來巨大的沖擊力。一般來說，地表上能遇到的超級颶風(fēng)，風(fēng)速大致是70米/秒左右，這就已經(jīng)足以造成房倒屋塌的可怕后果。而航天器進(jìn)入大氣層時，風(fēng)速是超級颶風(fēng)的3倍，它將要承受的沖擊力可想而知。

航天器表面的材料，僅僅做到“堅如磐石”是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。美國“哥倫比亞號”航天飛機(jī)，在發(fā)射、起飛階段，因一塊臉盆大的泡沫撞擊隔熱瓦，留下了一道非常微小的縫隙，當(dāng)時并沒有體現(xiàn)出麻煩;而當(dāng)航天飛機(jī)返回地球時，熾熱、迅猛的熱流順著縫隙沖進(jìn)了機(jī)翼之中，幾乎在瞬間就導(dǎo)致了航天飛機(jī)凌空解體，7名宇航員全部罹難。這個教訓(xùn)，實在是令人難忘。

此外，航天器全靠運(yùn)載火箭發(fā)力，因而對航天器的質(zhì)量、體積的要求都非常嚴(yán)格。航天器上每增加一公斤，都意味著巨大的成本投入。因此，航天器表面的隔熱、抗沖擊材料，還必須保持很低的密度，否則重量就會太大，缺乏實用價值。

如此嚴(yán)苛的要求，給航天工程帶來的挑戰(zhàn)是巨大的。

路漫漫，上下而求索

在不斷探索中，科研人員終于找到了解決這些難題的答案，概括起來，就是八個字：復(fù)合材料，“棄車保帥”。

所謂“棄車保帥”，就是在航天器外表面的材料中，有意識地讓一部分材料先被碳化、熔化、蒸發(fā)，通過材料的熔化熱、汽化熱來吸收熱量，必要時還可以讓其燒毀、分解，產(chǎn)生大量的氣體并帶走熱量。當(dāng)這些熱量被轉(zhuǎn)移時，航天器本身的溫度就得以維持在很低的水平上。

想要通過這樣的方式來降溫，材料就必須要達(dá)標(biāo)。經(jīng)過不斷研制，目前有兩種模式的復(fù)合材料可以做到。

一種叫做“蜂窩式復(fù)合材料”。它使用酚醛樹脂等耐熱、堅固、低密度的有機(jī)材料制成骨架，起到支撐結(jié)構(gòu)、抵抗沖擊的作用;空隙中再填滿容易熔化、蒸發(fā)的復(fù)合材料，比如硅橡膠、二氧化硅微球、酚醛樹脂微球、石墨微球等，起到帶走熱量的作用。

另一種則主要采用碳纖維等堅韌的物質(zhì)，將其外表面浸漬酚醛樹脂，凝結(jié)成類似海綿一樣疏松多孔的結(jié)構(gòu)。

這些復(fù)合材料，不但滿足航天器低密度的同時結(jié)構(gòu)堅固的要求（通常在0.5克/cm3左右，比木頭還要輕），能夠有效地抗擊沖擊而不被撕裂;而且導(dǎo)熱性很差，能通過自身的相變和燒蝕吸收熱量，擔(dān)負(fù)起保護(hù)航天器、航天員的重任。

當(dāng)然，這些材料的具體配方、制造工藝如何，都被各國列為機(jī)密，外界不得而知。我國航天科技人員也是靠長期的摸索試驗，不斷迭代，依靠自己的力量解決了問題。他們，和航天員一樣，都是我國載人航天事業(yè)的功臣。