2003年10月16日5時35分，北京航天指揮控制中心向正在太空中運行的我國首個載人飛船神舟五號發送返回指令，自此神舟五號飛船開始返航。6時04分，神舟五號飛船進入大氣層。在此過程中，宇航員楊利偉描述道，“快速飛行的飛船與大氣摩擦，產生的高溫把舷窗外面燒得一片通紅；緊接著，在通紅的窗外，有紅的白的碎片不停劃過”。
飛行器在高速飛行過程中，因為外部高溫壓縮空氣的影響以及飛行器與空氣的摩擦生熱，機體表面溫度會急劇升高，難怪楊利偉駕駛神舟五號飛船進入大氣層后飛船的舷窗外面會被燒得“一片通紅”。
在飛行器早期的設計和實踐過程中，因為機體材料無法承受上述過程中所產生的巨大熱量，飛行器的速度一直是難以突破的瓶頸。為了方便表述，業內一般將上述在大氣層中飛行器飛行過程中所產生的熱量對飛行速度的限制簡稱為“熱障”。突破“熱障”后飛行器的速度便可以迅速提升，其應用范圍也可以大幅度拓展，所以該現象一直是航空航天領域科學研究的重點內容之一。
實際上，“熱障”現象在理論上是有明確解釋的。早在1938年，科學家錢學森在其博士論文中便有詳細的理論計算和描述。
根據他的計算結果及算例，當飛行器以6倍聲速飛行時，其表面的溫度將達到外界溫度的8倍（大約1500攝氏度）。此外，上述高溫不僅僅影響飛行器的外部結構及材料，對于飛行員的安全以及機組內的各種儀器儀表也均會造成重大的威脅。具體而言，當飛行器的速度高于2.5倍聲速之時，“熱障”便會非常顯著。
最為直接的克服“熱障”的方法便是將飛行器的材料更換為能夠耐受高溫同時具有較高強度的材料。例如，美國采用鈦合金材料制造飛機，而蘇聯采用不銹鋼材料進行替代，二者都對克服“熱障”起到了不錯的效果。
經過長期的努力，1956年9月27日，人類終于突破了“熱障”。隨后，戰斗機、偵察機的速度得以大幅度的提升。
此外，飛行器的熱防護方法還包括加裝隔熱設備和安裝冷卻系統給飛行器的表面進行降溫等措施。隨著技術的進步，飛行器表面經常被覆蓋一層燒蝕材料，類似的技術還包括在飛行器的表面涂抹熱防護涂層。在“熱障”防護方面，我國神舟五號載人飛船采用了燒蝕材料和涂層防護等方法，楊利偉所看到的碎片便是燒蝕材料逐步脫落后留下的。
因為航空航天工程的復雜性，突破了“熱障”并不意味可以一勞永逸。一個慘痛的教訓便是美國的哥倫比亞號航天飛機的失事。2003年2月1日，當哥倫比亞號再入大氣層時，因航天飛機的熱防護系統被其外部脫落的泡沫材料損毀而失事，機上7名航天員遇難。由此可見，飛行器熱防護系統及其有效設計仍然是航空航天領域的核心議題之一。
從“熱障”研發的歷史中，本科生可以體會以下幾點。
前瞻性。科學研究需要有一定的前瞻性，應去發現重要的問題。在“熱障”現象的研究過程中，部分研究人員墨守成規地認為飛行器不會發生“熱障”問題。但是，錢學森通過理論推導和物理分析預見到“熱障”的必然性及其對飛行器發展的重要影響，而后續的實踐完全證實了上述預見的準確性。
關注細節。根據調查結果，美國哥倫比亞號航天飛機失事的原因主要在于泡沫材料的焊接工藝問題，其焊縫處所摻雜的少量氫氣泡在受熱膨脹后會導致泡沫分離，從而脫落并損毀了熱防護系統。另一個例子是，為耗費巨資研發的哈勃望眼鏡提供主鏡片的制造公司在鏡片磨制過程中存在重大失誤，導致該鏡片聚焦不準。讓人驚訝的是，該問題直到該望遠鏡被送到太空中才因傳回的圖像極為模糊而被發現，成了全世界的笑談。
犧牲精神。一項重要工程的成功實施需要幾代人的努力和拼搏。在航空航天發展的過程中，無數的航天員和試飛員作出了杰出的貢獻甚至獻出了生命。例如，駕駛X-2試驗機首次突破“熱障”的米爾姆·阿普特便因飛機在一個傾斜轉彎動作之后的操作失靈事故而犧牲。
關注前沿學科。隨著“熱障”現象及其防護措施的持續研發，逐漸形成了氣動熱力學這一空氣動力學領域的新分支，重點研究高速飛行器邊界層內的傳熱傳質現象、燒蝕作用的特征及其與周圍流場的耦合作用等內容。本科生應該多關注這些前沿、新興學科的發展和研究進展，并圍繞感興趣的議題積累相關知識。
來源：《中國科學報》
