宇宙飛船的“避火衣”

韓吉辰

“祝全國(guó)人民新年快樂(lè)！”2003年元旦，從太空傳來(lái)中國(guó)“神舟”四號(hào)宇宙飛船的新年祝福聲，2003年10月“神舟”五號(hào)載人飛船發(fā)射并安全著陸！緊接著“神舟”六號(hào)載人（雙人）宇宙飛船飛天成功，全國(guó)人民歡欣鼓舞.按照計(jì)劃，我國(guó)“神七”已于2008年9月25日升天，航天員還出艙在太空行走.

“下凡”經(jīng)受火的洗禮

宇宙飛船和航天飛機(jī)從天外“下凡”返回地球，那可是一個(gè)非常復(fù)雜的難題！它們的速度要由第一宇宙速度（7.9 km/s）進(jìn)入大氣層，這個(gè)速度是聲音速度的二十多倍，一般利用緩沖火箭和四面巨大的降落傘（最大的主傘面積約有1 200 m²），使速度逐漸降低.宇宙飛船返回艙最后是以3.5 m/s 左右的速度軟著陸的.

龐大的航天飛機(jī)降落到地面時(shí)的速度要比宇宙飛船返回艙大得多，因此它需要一條特殊的長(zhǎng)跑道，在離地面150 m時(shí)起落架放下，航天飛機(jī)最后是以 90 m/s 左右的速度沖上跑道，滑行約1 500 m后停下.

在濃密的大氣層中，速度極快的宇宙飛船和航天飛機(jī)，它們的外壁由于與空氣激烈摩擦，要產(chǎn)生大量的熱，機(jī)頭溫度可以達(dá)到1 000℃甚至3 000 ℃，整個(gè)機(jī)身變成一個(gè)熾熱耀眼的火球（就像我們經(jīng)常看到的火流星那樣）.當(dāng)航天器進(jìn)入距離地面60 km左右區(qū)域時(shí)，是最危險(xiǎn)的區(qū)域.由于稠密空氣在高溫下會(huì)發(fā)生電離，所有無(wú)線電波都無(wú)法通過(guò)，無(wú)線電通訊都會(huì)暫時(shí)全部中斷，被人們稱為可怕的“黑障區(qū)”……那真是一個(gè)驚心動(dòng)魄的場(chǎng)面！

宇宙飛船的返回艙中有航天員和珍貴儀器資料，而航天飛機(jī)中更有多名航天員.要保證宇宙飛船的返回艙和航天飛機(jī)安全“下凡”，就必須研究制造一件航天器的“避火衣”！從科學(xué)原理上講，目前只有兩種方法：一種是“燒蝕法”，另一種是“覆蓋法”.

宇宙飛船“自我犧牲”式“避火衣”

由于宇宙飛船只使用一次，科學(xué)家精心設(shè)計(jì)了一件奇妙的“避火衣”，它是用瞬時(shí)耐高溫材料制成的，這是由一種特殊纖維材料加上有機(jī)物組成的，在宇宙飛船不同部位的厚度不同.

當(dāng)宇宙飛船返回艙由太空“下凡”返回地球通過(guò)大氣層時(shí)，與空氣劇烈摩擦將產(chǎn)生大量的熱，這件“避火衣”遇到高溫時(shí)它就會(huì)“引火燒身”，自己先燃燒起來(lái)，其中的有機(jī)物會(huì)帶走大量的熱量.更奇妙的是，“避火衣”在燃燒自己的同時(shí)，還形成了一層厚厚的多孔炭化層，緊緊地附著在返回艙的外壁，這一層炭化層具有極好的隔熱效能.這樣，宇宙飛船的“自我犧牲”式“避火衣”的巧妙設(shè)計(jì)，使返回艙中的溫度可以保持正常，一般在35 ℃以下.

我國(guó)“神舟”號(hào)宇宙飛船返回艙，外形為鐘形，外部是用耐高溫的復(fù)合材料制成.返回艙高2.5 m，直徑也為2.5 m，重量約3 t，可以載3名航天員.返回艙是航天員的座艙和宇宙飛船的指揮中心，位于飛船的中部，是密閉結(jié)構(gòu)，其上端有艙門，供航天員進(jìn)出軌道艙使用，返回艙是宇宙飛船中唯一再入大氣層返回地面的著陸艙段.這種自我犧牲的一次性“避火衣”使得宇宙飛船順利“下凡”返回地面，為宇航事業(yè)做出了卓越貢獻(xiàn)！

航天飛機(jī)“金縷玉衣”式“避火衣”

宇宙飛船只使用一次，而航天飛機(jī)要在地球和太空之間往返75次～100次，因此一次性“避火衣”就不適用了.科學(xué)家必須找到一種耐高溫又不會(huì)被燒壞的“避火衣”！

是什么材料呢？原來(lái)是陶瓷，它是新型復(fù)合高溫陶瓷.這種復(fù)合高溫陶瓷瓦片主要由兩部分構(gòu)成，外層包覆的是高輻射陶瓷材料，內(nèi)部是導(dǎo)熱系數(shù)非常低的耐高溫陶瓷纖維.外面顏色有白的，有黑的，顏色不一樣，給人的感覺(jué)很堅(jiān)實(shí)，但拿起來(lái)很輕，密度（九年級(jí)將學(xué)到）才200 kg/m³，是水的密度的.

航天飛機(jī)的外型很像一架三角翼飛機(jī)，形狀比起宇宙飛船的返回艙要復(fù)雜多了.要想為它穿上嚴(yán)嚴(yán)密密的陶瓷“外衣”十分困難.科學(xué)家精心設(shè)計(jì)了31 000塊陶瓷瓦片，每塊長(zhǎng)15 cm～20 cm、厚0．5 cm～9 cm，每片價(jià)值2 000美元～3 000美元.使用時(shí)再把它們拼接起來(lái)，仿佛中國(guó)古代的“金縷玉衣”一般，非常合身.這些陶瓷片對(duì)照工藝圖紙，一一對(duì)號(hào)入座，利用一特殊“高效阻燃膠”,用手工一片一片粘貼到飛機(jī)上，后來(lái)研制出專業(yè)機(jī)器人，才提高了粘貼速度.這件超級(jí)“金縷玉衣”——航天飛機(jī)“避火衣”達(dá)10 t，價(jià)值達(dá)三億六千萬(wàn)美元.

1981年4月，美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)就是“穿”著這件昂貴厚重的“避火衣”，順利完成了太空考察.在以后幾次航天飛行中，都獲得了成功.

責(zé)任編輯 蔡華杰