揭秘！高温燃烧的飞船返回舱是这样保护宇航员的！

引言

搭载神舟十三号载人飞船的长征二号F遥十三运载火箭于北京时间2021年6月17日9时22分在酒泉卫星发射中心成功发射。神舟十三号飞船成功将我国三名宇航员（翟志刚、王亚平、叶光富）送入太空，他们将开展为期6个月的在轨驻留研究。在全世界目光的注视下，半年时间已经过去，我国三名宇航员出色的完成了太空行走、开展机械臂、在轨维修、太空授课等任务，并于2022年4月16日9时56分遨游九天成功平安凯旋，飞行任务取得圆满成功，令全体中国人民无比自豪[1]。

图 1 神舟十三号飞船发射场景以及我国三名宇航员成功返航（图片来源于新华社）

当红色降落伞牵引的神舟十三号载人返回舱成功降落在东风着陆场时，我们从现场网络传输的画面可以看到，返回舱的外壳上有着清晰可见的烧蚀印迹，这表明返回舱从太空进入地球的途中经历了高温燃烧过程，而与之形成对比的是从地球进入太空，神舟十三号载人飞船的发射途中并未发生燃烧。

图 2 神舟十三号返回舱（图片来源于新华社）

这时我们不禁就有疑问产生了，神舟十三号飞船不管是发射还是返回途中都要穿越大气层，为什么发射过程不燃烧而返回途中却要经历高温燃烧呢？作为宇航员出行回家以及保护生命安全的载具，经历高温燃烧的返回舱是如何保护宇航员生命安全的呢？今天的科普内容，让我们一起探寻这背后的原因，揭晓飞船返回途中燃烧以耐高温的秘密。

神舟飞船返回途中燃烧的原因

作为万有引力定律的发现者，牛顿早在400年前，就为人类构思过如何才能克服地球引力，他构想了一个有趣的实验，简单来讲就是把一个大炮架在高山之巅，给这个大炮足够大的威力，让它射出的炮弹有足够快的速度，那么这个炮弹就可以一直绕着地球做圆周运动而不掉落，这一有趣的思想实验被称为“牛顿大炮”[1]。牛顿不仅进行了克服地球引力的构思，还推断出大炮所需的速度为7.9 km/s，虽然这一速度在牛顿所处的时代并不现实，但随着科学理论探究的进步，20世纪的人类将它变为了现实，这一速度被后人称为“第一宇宙速度”。

图 3 “牛顿大炮”示意图（图片来源于网络）

人类发射的宇宙飞船必须满足第一宇宙速度，才会围绕地球飞行，而不会掉落下来。为了满足这一速度，人类需要通过运载火箭来实现，根据牛顿第三定律，运载火箭所携带的燃料燃烧会释放出巨大的推力作用于火箭，使得它得以高速飞行，从而将卫星以及飞船运输到太空中。飞船在飞行途中会穿越大气层，高速飞行的飞船会与空气阻力产生剧烈摩擦，产生气动加热效应，这是飞船升温的主要原因。那为什么飞船上升途中没有发生燃烧，而返回途中却剧烈燃烧呢？其实这背后的原因不难解释。

飞船的燃烧与空气密度和飞行速度息息相关，摩擦是燃烧的先决条件，可空气的存在才是达到着火点的必备条件，空气的密度以及飞船的飞行速度决定着飞船是否燃烧。我们可以将飞船的发射以及返回分阶段来分析：

1、发射阶段：飞船在初始发射时，虽然地面空气密度很大，阻力也很大，但由于初始速度为0，所以在近地面飞船并不会燃烧。但随着飞行速度的逐渐提升，气动加热效应愈来愈强，飞船温度会逐渐上升。但在发射前期，飞船的速度不会一下子就达到很快的速度，所以它会产生气动加热效应，但这个速度还不足以令飞船燃烧起来。而当飞船临进太空，虽然速度已经非常快了，但由于此时的环境空气密度水平很低，所以仍不足以使得飞船燃烧。简要来讲，就是前期速度无法满足燃烧条件，后期空气密度较低亦无法满足燃烧条件，所以，飞船的发射途中其实并不会燃烧。

2、返回阶段：当飞船步入太空后，环绕地球飞行的飞船其实速度非常快，而在飞船返回时，进入地球的飞船速度甚至比第一宇宙速度还要大。当飞船以一个巨大的速度逐步进入大气层时，速度很快而空气密度却逐渐增大，产生的气动加热效应越来越厉害，返回舱会承受剧烈的高温，直至燃烧起来，像一个火球一样，这也就是为什么飞船返回时会剧烈燃烧的原因。

图 4 神舟十三号飞船返回舱清晰可见的烧蚀模样（图片来源于中国载人航天）

神舟飞船返回舱耐高温的秘密

神舟十三号飞船在返回途中穿越大气层时，会忍受剧烈的高温燃烧，温度高达2000多摄氏度，远远超过了人体所能承受的极限，在这种高温环境下，人类绝对无法生存，那么为什么宇航员还能够安全返回呢？原因就在于返回舱的科学设计为航天员提供了安全保障。返回舱表面的防热材料是舱体能够忍受高温炙烤的关键，当飞船剧烈摩擦，这些防热材料能够在高温烧蚀下熔化、升华，将飞船表面的大量热量带走，从而使得舱体内部的温度保持稳定，保护宇航员的生命安全。这些防热材料不仅要耐高温、而且重量要轻、强度要高，我国神舟十三号飞船返回舱体表面所采取的防热材料经历大量的试验之后，蜂窝状的防热材料脱颖而出。

烧蚀防热材料利用高温固液气反应和表面热辐射消耗外部加热，从而实现热保护。聚合物基防热材料有着宽度较高的耐高温范围，目前是最主要的烧蚀防热材料。NASA的实验研究表明，飞行器表面的防热材料可以忍受0. 3 ~30 MW/m2的热环境[3]。各个国家所采用的烧蚀防热材料不尽相同，例如欧洲的猎犬2号，采用的是密度为 0. 47 g/cm3的酚醛树脂基材料[4]，美国的阿波罗飞船采用密度约为 0.5 g/cm3的蜂窝增强结构防热材料[5]，这种蜂窝状材料是将各种填料和树脂基体填充至玻璃钢蜂窝内部后制成的，我国的神舟系列载人飞船主体采用的也为蜂窝增强树脂基烧蚀防热材料[6]，这种材料具有耐高温、密度低、结构刚性强、成型一致性好等优点。通过下面方州等人的研究，我们可以大致从实验室角度了解一下这种材料的出色性能。

北京航天材料及工艺研究所的方州等[7]人对所研制的两种蜂窝增强低密度硅基烧蚀防热材料A和B的耐温性能、力学性能以及防热机理进行了探究，实验结果表明二者的拉伸强度都很出色，两种材料的耐温性能参数分别为 2. 4×10-4和3. 6×10-4 g2/(cm4·s)，材料在1到1. 5 MW/m2热流烧蚀条件下，形貌保持良好。该团队从材料的结构出发对防热机理做了解释，这两种材料的结构大致为由外到内为碳化层、热解层以及原始层。

图 5 材料烧蚀过程示意图[7]

在烧蚀过程中热解层会发生高温化学反应，此时硅橡胶会脱去环硅氧烷小分子，随着烧蚀的进一步进行，会发生碳化反应，碳化层内的无定型碳发生氧化反应后，生成SiO2液态层，之后SiO2在高温下会发生化学反应生成耐高温的 SiC，这些硅基体材料填充在酚醛树脂浸渍玻璃纤维布制成的蜂窝结构内，在熔化时会形成粘稠的玻璃层有效隔绝了O2的进一步扩散，减缓氧化速度从而实现耐高温的要求[8]。这种材料可用于深空探测其应用范围较广，该团队的材料烧蚀测量实验如图6所示。

图 6 材料A和B烧蚀前后形貌[7]

正是得益于防热材料的出色性能，才使得飞船返回舱能够承受上千度的高温，从而有效保护了航天员的生命安全。

结语

我国神舟十三号载人航天任务的圆满成功，为我国后续的空间站建设打下了坚实的基础，使我国的深空探索计划稳步有序推进，所取得的的一系列成就举世瞩目，彰显了我国自主航天研究的大国风范。本文探讨了神舟十三号飞船返回舱燃烧以及返回舱耐高温的秘密，供感兴趣的读者阅读分享。