返回大气层时,被熊熊烈火包围的载人飞船是怎

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载人飞船返回地球时,返回舱和推进舱会分别进入大气层。那为什么从来都只看到返回舱安全回到地面,却没见过推进舱呢?这是因为,推进舱在大气层中烧毁了。那么,为什么舱体会在大气层中燃烧呢?


在返回地面途中,返回舱和推进舱在距地面100km高空的位置开始进入稠密大气层,这时,它们的速度大致有8km/s。就像我们冬天搓手取暖一样,舱体对大气的高速摩擦和对周围气体的压缩,使降落速度急剧下降,同时产生巨大的热量。


在距地面100km的高空开始进入稠密大气层


大部分的热量将使返回舱和推进舱舱体表面温度上升到几千摄氏度。返回舱和推进舱外壁会被熊熊烈火包围,像火球一样划过天空。绝大多数材料无法承受高温,会被燃烧殆尽,推进舱也就是这样消失在高空中。


那么,返回舱为什么能够安全回到地面呢?难道它不怕热吗?


是谁引火烧身蜡炬成灰

为了保护返回舱内航天员、实验仪器设备等的安全,聪明的科学家和工程师想出了一种“丢卒保帅”的巧妙办法。他们在返回舱外部,特别是温度最高的底部厚厚地包覆了一层称为“烧蚀材料”的防热层。一旦返回舱舱体受到高温侵袭,烧蚀材料防热层就会引火烧身,燃烧自己,消耗掉这些热量,从而保护飞船。


安全返回地面的返回舱全都是“大黑脸”,像经历过火灾一样,就是烧蚀防热形成的结果。当烧蚀材料与大气摩擦时,它会受热熔化、蒸发、升华、分解和氧化燃烧。


安全落地的返回舱


更有趣的是,在整个烧蚀过程中,不论是材料的热分解、熔化,还是蒸发和升华都将吸收大量的热能,而且产生的气体和燃烧产物在不断流失的同时,还能够从飞船表面带走大量的热量,有效地阻止了热流传到飞船内部。


除了能够消耗热量、带走热量,烧蚀材料烧蚀成炭的同时,还能在飞船表面形成一个高温辐射散热层,向外辐射热量。这么神奇的烧蚀材料是拿什么做的呢?烧蚀材料一般是由特殊的玻璃纤维与有机合成树脂组成的复合材料,它还采用了轻质填料作为填充剂。


我国的神舟飞船采用了以烧蚀材料为主的飞船防热结构,科学家们通过对数十种烧蚀材料的反复筛选和试验,最终为神舟飞船选择了一种先进的低密度烧蚀材料。这种材料不但能耐受几千度的高温,而且密度小于1g/cm³,质量非常轻。


是谁安于磐石始终如一

返回舱舱体并不是一个密闭的整体空间,舱体上还有舷窗,方便航天员们观察舱外情况。舱体通过烧蚀材料防热,但舷窗部分显然不能被烧蚀材料所覆盖,它如何防止几千摄氏度的高温侵袭呢?同时,为了保证舱内的稳定,舷窗还要有密封性。


苏联“东方号”载人飞船返回舱舷窗


绝大部分材料只能在常温或不太高的温度下才能维持优良的密封性能,而返回舱舷窗要同时实现防热与密封,这可不是件容易的事。经过研发、讨论和反复验证,飞船研制者们最终采用多层窗玻璃的形式,结合合理的结构设计,同时解决了高温和密封的难题。


飞船返回舱的舷窗窗口采用三层玻璃:最外层是高温防热玻璃,这层玻璃不进行密封,专门用以防热;内两层则采用钢化玻璃,同时承压和密封。


飞船返回舱舷窗结构示意图


为什么要使用三层玻璃呢?

1 将防热玻璃与密封玻璃分开,避开了同时进行高温和密封的难点。这样做,就是将问题一分为二,各个击破。


2 除了最外层玻璃能够防热,内两层玻璃也起到了适当的隔热作用。使飞船内部接近中温和常温,因而内两层玻璃也比较易于实现密封。


联盟号飞船舷窗


3 除了隔热,双层玻璃的设计保证了承压与密封的冗余设计。这是因为单层玻璃的承压能力是按飞船舱内正常大气压设计的,当双层玻璃中任一层损坏时,另一层玻璃仍可以正常工作,这就提高了密封的可靠性。


当然,防热玻璃和周围防热材料要通过各种烧蚀试验,最后筛选出符合要求的再进行使用。各部分的温度则要用复杂结构温度场的分析程序进行计算,才能确定三层玻璃、密封件和其他部件的工作温度和尺寸。


透过神舟飞船舷窗看航天员杨利伟


实际上,除了烧蚀防热外,飞船还采用其他防热方法。比如在飞船外部使用高反光、耐高温金属层,能够通过热辐射原理辐射掉大量热量;还可以在飞船上包裹热容量大、耐温高的防热材料,利用这种材料本身能在温度升高时吸热,将大量传入飞船表面的热量吸收掉,从而保证内部不致过热等等。一般来说,这些防热方法会结合使用。




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