文/田豐

▲ 航天飛機(jī)的隔熱瓦

在9月28日的發(fā)布會(huì)上，太空探索技術(shù)公司研發(fā)中的完全可重復(fù)使用運(yùn)載火箭正式更名為“星艦（Starship）”。相對(duì)于回收復(fù)用已日漸成熟的獵鷹系列運(yùn)載火箭，“星艦”與之最大的區(qū)別在于火箭二級(jí)——也就是被稱(chēng)之為“星艦飛船”的部分在入軌并釋放有效載荷后將再入大氣層并垂直著陸地面，再入時(shí)“星艦飛船”要以高達(dá)25馬赫的高速鉆入大氣層。復(fù)用可入軌部分的思路和已經(jīng)退役8年的航天飛機(jī)軌道器如出一轍，但航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)向來(lái)備受爭(zhēng)議，尤其是哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)再入解體事故后，其安全性低、可維護(hù)性差、成本高昂的問(wèn)題屢遭詬病。所以“星艦”從構(gòu)想至今，人們都在好奇太空探索技術(shù)公司如何能夠避免陷入航天飛機(jī)的“困境”，打造一套高可靠、低成本、可復(fù)用的熱防護(hù)系統(tǒng)。自2016年至今，太空探索技術(shù)公司在“星艦”的防熱設(shè)計(jì)上進(jìn)行了一系列曲折而反復(fù)的探索，嘗試和考慮過(guò)多種熱防護(hù)方式，雖然距離真正的軌道試飛依舊遙遠(yuǎn)，但他們迭代和改進(jìn)的過(guò)程卻是一個(gè)不得不說(shuō)的故事。

曾經(jīng)的發(fā)汗冷卻思路

說(shuō)起對(duì)航天器再入熱防護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，太空探索技術(shù)公司可謂是名副其實(shí)的“老司機(jī)”。公司旗下“龍”貨運(yùn)飛船自2012年首飛成功至今，已成功執(zhí)行了18次任務(wù)，熱防護(hù)系統(tǒng)工作堪稱(chēng)完美，尤其是飛船配備的PICA-X防熱大底，對(duì)飛船返回艙提供了良好的保護(hù)。這種材料未來(lái)還將逐步改進(jìn)并工作在太空探索技術(shù)公司的第二代“龍”飛船上，執(zhí)行載人或貨運(yùn)任務(wù)。那么這種材料能否繼續(xù)應(yīng)用在“星艦”上，完成低成本全復(fù)用的目標(biāo)呢？回答這個(gè)問(wèn)題就要從PICA材料本身說(shuō)起。

▲ 返回后的龍飛船大底，紅圈中為spacex公司制備的TOFOC隔熱瓦，其余為PICA-X

▲ 航天飛機(jī)再入溫度分布圖，亮黃色是溫度最高的區(qū)域

PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) 意為“酚醛浸漬碳燒蝕材料”，是一種通過(guò)燒蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)的材料，燒蝕防熱是指在熱流環(huán)境中，防熱材料能夠發(fā)生分解、熔化、升華等多種吸收熱能的物理化學(xué)變化，通過(guò)材料自身的質(zhì)量損失消耗帶走大量熱量。主要成分包括酚醛和碳材兩部分。“星塵號(hào)”返回艙是截至目前人類(lèi)再入速度最快的航天器，135公里高度再入速度高達(dá)12.4 公里/秒，在110秒的時(shí)間內(nèi)返回艙速度從36馬赫降至亞聲速，返回的過(guò)程中艙體表面的最高溫度超過(guò) 2900℃。但所謂成也燒蝕，敗也燒蝕，這種材料的實(shí)質(zhì)就是“犧牲我自己，保護(hù)航天器”，可惜這種思路并不能滿(mǎn)足太空探索技術(shù)公司完全可重復(fù)使用的“星艦飛船”的要求。因?yàn)槊看畏祷睾驪ICA-X的燒蝕層都會(huì)發(fā)生不均勻的減薄，燒蝕分解物會(huì)粘滿(mǎn)整個(gè)航天器返回艙外壁，額外增加復(fù)用成本和翻修工作量，無(wú)法達(dá)到快速低成本復(fù)用的目的。所以太空探索技術(shù)公司必須找到一種新的非燒蝕防熱方式以解決這個(gè)問(wèn)題，這時(shí)候一種“古老”而“新潮”的思路進(jìn)入了太空探索技術(shù)公司視線——發(fā)汗冷卻（Transpiration Cooling）。

顧名思義，發(fā)汗冷卻的原理和人類(lèi)出汗類(lèi)似，是指冷卻劑（“星艦”是推進(jìn)劑中的液態(tài)甲烷）順著熱防護(hù)系統(tǒng)表面的大量細(xì)密板孔滲出，甲烷滲出后迅速吸熱升溫蒸發(fā)，帶走大量熱量，同時(shí)形成冷卻層和邊界層以進(jìn)一步隔絕熱量，同時(shí)層間流動(dòng)還將降低表面阻力。2019年初，太空探索技術(shù)公司宣稱(chēng)將利用“星艦”的著陸推進(jìn)劑，在迎風(fēng)面設(shè)置大量發(fā)汗孔和管路，甲烷在迎風(fēng)面后的管路內(nèi)循環(huán)，一部分經(jīng)發(fā)汗孔擠出冷卻，另一部分跟貯箱壁對(duì)流加熱。這項(xiàng)技術(shù)看起來(lái)“高大上”，其實(shí)一點(diǎn)兒也不新鮮，在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室上冷卻設(shè)計(jì)上，發(fā)汗冷卻的應(yīng)用十分普遍了，只不過(guò)從未在航天器再入熱防護(hù)設(shè)計(jì)上應(yīng)用過(guò)。

除此之外，太空探索技術(shù)公司也沒(méi)放棄傳統(tǒng)的隔熱設(shè)計(jì)，公司與美國(guó)宇航局的埃姆斯研究中心簽訂了技術(shù)支持合同，獲得了名為“整體增韌抗氧化復(fù)合結(jié)構(gòu)”（英文縮寫(xiě)TOFROC）的先進(jìn)非燒蝕隔熱材料的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。說(shuō)起TOFROC，這種材料并不是“實(shí)驗(yàn)室里的花朵”，而是一種“久經(jīng)考驗(yàn)”的熱防護(hù)材料，曾用于波音承制的X-37B上，未來(lái)還將用于“追夢(mèng)者”小型航天飛機(jī)上。

至此，業(yè)界普遍猜測(cè)太空探索技術(shù)公司的熱防護(hù)系統(tǒng)方案是在“星艦”的頭錐、翼面前緣等熱流峰值最高或不便于布置發(fā)汗結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域使用TOFROC隔熱瓦，而在迎風(fēng)面大部使用發(fā)汗冷卻，背風(fēng)面利用301不銹鋼本身的特性，不額外貼敷熱防護(hù)材料，從而最大限度減少熱防護(hù)系統(tǒng)的重量，降低星艦干重，挖掘運(yùn)力潛力。

航天飛機(jī)復(fù)活了？

俗話說(shuō)“計(jì)劃沒(méi)有變化快”，在發(fā)布會(huì)上太空探索技術(shù)公司宣稱(chēng)發(fā)汗冷卻已經(jīng)被當(dāng)前版本的“星艦”廢棄，隔熱瓦將徹底覆蓋星艦飛船迎風(fēng)面。如此一來(lái)，當(dāng)前的“星艦”設(shè)計(jì)與曾經(jīng)“成也隔熱瓦，敗也隔熱瓦”的航天飛機(jī)如出一轍。航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，單獨(dú)成書(shū)都不為過(guò)。為應(yīng)對(duì)再入熱，航天飛機(jī)選用了多種防熱材料，整個(gè)軌道器被多達(dá)2萬(wàn)多塊形狀各異的隔熱瓦所覆蓋，但限于當(dāng)時(shí)的防熱技術(shù)限制，航天飛機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)的可維護(hù)性堪稱(chēng)一場(chǎng)災(zāi)難。

為了不重蹈航天飛機(jī)的覆轍，太空探索技術(shù)公司針對(duì)“星艦”將大面積使用的TOFRUC隔熱瓦做了大量試驗(yàn)，為了驗(yàn)證這種隔熱瓦的貼敷性能，公司首先在名為“星跳者”的懸停試驗(yàn)機(jī)貯箱外表面和著陸支腿內(nèi)側(cè)安裝了測(cè)試用的隔熱瓦。不要小看這些“貼瓷磚”的試驗(yàn)，由于貼敷技術(shù)和粘接劑不成熟，航天飛機(jī)在研發(fā)初期就曾被隔熱瓦大面積脫落的問(wèn)題長(zhǎng)期困擾。

▲X-37B前端的防熱瓦

▲屹立于得州博卡奇卡的星艦MK1

▲ 復(fù)檢航天飛機(jī)隔熱瓦

▲如你所見(jiàn)，脫落、受損，受潮、變形

另外，TOFROC 作為一種先進(jìn)的陶瓷基隔熱瓦，解決了早期航天飛機(jī)使用的RCC材料在耐溫能力、強(qiáng)韌化性能和制備尺寸等方面的缺陷，基本突破了航天飛機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)。TOFROC具有三個(gè)重要特點(diǎn)：一是能承受1700℃高溫，高于航天飛機(jī)采用的增強(qiáng)碳-碳防熱材料的耐受溫度，而且可以重復(fù)使用；二是密度低、質(zhì)量輕，航天飛機(jī)機(jī)翼前緣采用的增強(qiáng)碳-碳防熱系統(tǒng)的密度約為1.6克/厘米3，而TOFROC防隔熱系統(tǒng)的密度僅為0.4克/厘米3，后者的材料密度僅為前者的1/4；三是制造周期短、成本低，TOFROC防隔熱系統(tǒng)制造周期是航天飛機(jī)防熱系統(tǒng)的1/6到1/3，成本為1/10。作為第四代可重復(fù)使用防隔熱材料，TOFROC克服了航天飛機(jī)隔熱瓦的脆性問(wèn)題，在抗氧化和抗熱沖擊性能提升方面進(jìn)行了很大的改進(jìn)，是新一代航天飛行器“非燒蝕型”輕質(zhì)高強(qiáng)韌性熱防護(hù)材料的代表。

“似曾相識(shí)”的再入方案

當(dāng)前版本的“星艦”不僅熱防護(hù)系統(tǒng)神似航天飛機(jī)，再入方式也與之如出一轍。以航天器再入階段表面熱流隨溫度的變化關(guān)系為例，類(lèi)似“神舟”和“聯(lián)盟”這種飛船再入時(shí)，飛船表面熱流在很短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到最大值；而在航天飛機(jī)的情況下，雖然較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)迎風(fēng)面仍保持著很高的熱流密度，但是最高值相對(duì)于飛船彈道或半彈道再入要低得多，這就大幅降低了對(duì)熱防護(hù)材料的性能需求。不僅如此，航天飛機(jī)的再入過(guò)載遠(yuǎn)低于載人飛船，如果“星艦”未來(lái)真的有大規(guī)模載人的可能，這種再入方式的確必不可少。此外，太空探索技術(shù)公司稱(chēng)“星艦”為了繼續(xù)降低再入難度，還引入了航天飛機(jī)的蛇形機(jī)動(dòng)，也就是再入階段走的是Z字形軌跡，飛控會(huì)控制姿態(tài)，讓兩側(cè)翼面以一定規(guī)律交替受熱，從而降低熱流峰值。

但“星艦”的再入設(shè)計(jì)也并非全盤(pán)借鑒航天飛機(jī)，而是依托太空探索技術(shù)公司成熟的反推著陸技術(shù)，做了改進(jìn)。航天飛機(jī)的方案是水平無(wú)動(dòng)力滑翔著陸，也就是說(shuō)航天飛機(jī)一旦脫離地球軌道進(jìn)入大氣層，就是一錘子買(mǎi)賣(mài)，必須在指定點(diǎn)一次降落成功。這要求航天飛機(jī)具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距離，在滑翔中具有良好的操控，尤其要有良好的著陸操控性能，這需要采用具有較高升阻比的氣動(dòng)翼面設(shè)計(jì)。但是反過(guò)來(lái)，航天飛機(jī)在返回大氣層之初，速度可以高達(dá)24馬赫，這樣的高超音速又要求采用阻力最小的升力體結(jié)構(gòu)。所以?xún)煞N設(shè)計(jì)約束折中后的結(jié)果就是航天飛機(jī)返回時(shí)必須沿一條精細(xì)計(jì)算過(guò)的在瞬時(shí)氣動(dòng)加熱和累計(jì)氣動(dòng)加熱之間最小化的路徑下滑，以最大限度地降低熱負(fù)荷，使用要求非常高，適用范圍較窄。

▲驗(yàn)證新型隔熱瓦和不銹鋼的貼敷工藝

太空探索技術(shù)公司的“星艦”由于采用垂直反推著陸，而非滑翔水平著陸，其軌道設(shè)計(jì)的裕度和空間瞬間就不再受到滑翔能力的制約，可以引入更多的著陸方案和軌道設(shè)計(jì)來(lái)降低再入熱流峰值，比如說(shuō)——跳躍式彈道。跳躍式彈道的好處是，每一次擦過(guò)大氣層邊緣的時(shí)候，氣動(dòng)加熱的時(shí)間較短，彈回寒冷的近地空間期間正好借機(jī)將熱量耗散掉，這樣一涼一熱，直到動(dòng)能被耗散到一定程度后，不再跳躍，直接進(jìn)入大氣，這對(duì)進(jìn)一步降低熱防護(hù)系統(tǒng)性能需求和重量，提高復(fù)用性都有一定好處。

說(shuō)了這么多作為火箭二級(jí)的星艦飛船，似乎忽略了被稱(chēng)之為“超重型火箭”的一級(jí)。雖然同為“星艦”一部分，但兩者的回收熱環(huán)境迥然相異。由于“星艦”入軌，返回地球時(shí)要以25馬赫左右的高速鉆入大氣層，而在更遠(yuǎn)的火星及月球任務(wù)中，甚至要以30馬赫以上的高速再入大氣層。超重型火箭則一直工作在大氣層內(nèi)，按照獵鷹9火箭一級(jí)的經(jīng)驗(yàn)，最高速度也不過(guò)10馬赫。而且更有趣的是，由于采用了301不銹鋼貯箱，有效控制分離速度后，超重型火箭的熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大幅簡(jiǎn)化。箭體再入的峰值熱流直接就被包絡(luò)在不銹鋼的工作溫度范圍內(nèi)，不再需要“獵鷹9”的Block5構(gòu)型鋁鋰合金上所使用的熱防護(hù)涂層。

縱觀太空探索技術(shù)公司在“星艦”熱防護(hù)系統(tǒng)上的迭代設(shè)計(jì)過(guò)程，既沒(méi)有想象中的“黑科技”，也沒(méi)有難以理解的“反常識(shí)”，一切都不過(guò)是成熟方案與已有技術(shù)的重新組合。在這個(gè)過(guò)程中，太空探索技術(shù)公司有所為有所不為，既有砍掉“獵鷹5”和“紅龍飛船”時(shí)的壯士斷腕，又有翼傘回收和換用不銹鋼時(shí)的大膽借鑒。我們并不知道太空探索技術(shù)公司為什么放棄了發(fā)汗冷卻，但是一定有它的理由?；蛟S未來(lái)TOFROC也會(huì)被證明不適用于“星艦”，但航天技術(shù)的發(fā)展就是嘗試和改進(jìn)間不斷反復(fù)，太空探索技術(shù)公司終將找到一條適合“星艦”的再入方案。

▲“星艦”飛行概念圖