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(fā)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(jìn)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(chǎn)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(jī)體表面溫度會急劇升高，難怪楊利偉駕駛神舟五號飛船進(jìn)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(shè)計和實踐過程中，因為機(jī)體材料無法承受上述過程中所產(chǎn)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(yè)內(nèi)一般將上述在大氣層中飛行器飛行過程中所產(chǎn)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(yīng)用范圍也可以大幅度拓展，所以該現(xiàn)象一直是航空航天領(lǐng)域科學(xué)研究的重點內(nèi)容之一。
實際上，“熱障”現(xiàn)象在理論上是有明確解釋的。早在1938年，科學(xué)家錢學(xué)森在其博士論文中便有詳細(xì)的理論計算和描述。
根據(jù)他的計算結(jié)果及算例，當(dāng)飛行器以6倍聲速飛行時，其表面的溫度將達(dá)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(jié)構(gòu)及材料，對于飛行員的安全以及機(jī)組內(nèi)的各種儀器儀表也均會造成重大的威脅。具體而言，當(dāng)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(jī)，而蘇聯(lián)采用不銹鋼材料進(jìn)行替代，二者都對克服“熱障”起到了不錯的效果。
經(jīng)過長期的努力，1956年9月27日，人類終于突破了“熱障”。隨后，戰(zhàn)斗機(jī)、偵察機(jī)的速度得以大幅度的提升。
此外，飛行器的熱防護(hù)方法還包括加裝隔熱設(shè)備和安裝冷卻系統(tǒng)給飛行器的表面進(jìn)行降溫等措施。隨著技術(shù)的進(jìn)步，飛行器表面經(jīng)常被覆蓋一層燒蝕材料，類似的技術(shù)還包括在飛行器的表面涂抹熱防護(hù)涂層。在“熱障”防護(hù)方面，我國神舟五號載人飛船采用了燒蝕材料和涂層防護(hù)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(fù)雜性，突破了“熱障”并不意味可以一勞永逸。一個慘痛的教訓(xùn)便是美國的哥倫比亞號航天飛機(jī)的失事。2003年2月1日，當(dāng)哥倫比亞號再入大氣層時，因航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)被其外部脫落的泡沫材料損毀而失事，機(jī)上7名航天員遇難。由此可見，飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)及其有效設(shè)計仍然是航空航天領(lǐng)域的核心議題之一。
從“熱障”研發(fā)的歷史中，本科生可以體會以下幾點。
前瞻性。科學(xué)研究需要有一定的前瞻性，應(yīng)去發(fā)現(xiàn)重要的問題。在“熱障”現(xiàn)象的研究過程中，部分研究人員墨守成規(guī)地認(rèn)為飛行器不會發(fā)生“熱障”問題。但是，錢學(xué)森通過理論推導(dǎo)和物理分析預(yù)見到“熱障”的必然性及其對飛行器發(fā)展的重要影響，而后續(xù)的實踐完全證實了上述預(yù)見的準(zhǔn)確性。
關(guān)注細(xì)節(jié)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，美國哥倫比亞號航天飛機(jī)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(dǎo)致泡沫分離，從而脫落并損毀了熱防護(hù)系統(tǒng)。另一個例子是，為耗費巨資研發(fā)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(dǎo)致該鏡片聚焦不準(zhǔn)。讓人驚訝的是，該問題直到該望遠(yuǎn)鏡被送到太空中才因傳回的圖像極為模糊而被發(fā)現(xiàn)，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(fā)展的過程中，無數(shù)的航天員和試飛員作出了杰出的貢獻(xiàn)甚至獻(xiàn)出了生命。例如，駕駛X-2試驗機(jī)首次突破“熱障”的米爾姆·阿普特便因飛機(jī)在一個傾斜轉(zhuǎn)彎動作之后的操作失靈事故而犧牲。
關(guān)注前沿學(xué)科。隨著“熱障”現(xiàn)象及其防護(hù)措施的持續(xù)研發(fā)，逐漸形成了氣動熱力學(xué)這一空氣動力學(xué)領(lǐng)域的新分支，重點研究高速飛行器邊界層內(nèi)的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象、燒蝕作用的特征及其與周圍流場的耦合作用等內(nèi)容。本科生應(yīng)該多關(guān)注這些前沿、新興學(xué)科的發(fā)展和研究進(jìn)展，并圍繞感興趣的議題積累相關(guān)知識。
來源：《中國科學(xué)報》
