宇宙飞船的“避火衣”

韩吉辰

“祝全国人民新年快乐！”2003年元旦，从太空传来中国“神舟”四号宇宙飞船的新年祝福声，2003年10月“神舟”五号载人飞船发射并安全着陆！紧接着“神舟”六号载人（双人）宇宙飞船飞天成功，全国人民欢欣鼓舞.按照计划，我国“神七”已于2008年9月25日升天，航天员还出舱在太空行走.

“下凡”经受火的洗礼

宇宙飞船和航天飞机从天外“下凡”返回地球，那可是一个非常复杂的难题！它们的速度要由第一宇宙速度（7.9 km/s）进入大气层，这个速度是声音速度的二十多倍，一般利用缓冲火箭和四面巨大的降落伞（最大的主伞面积约有1 200 m²），使速度逐渐降低.宇宙飞船返回舱最后是以3.5 m/s 左右的速度软着陆的.

庞大的航天飞机降落到地面时的速度要比宇宙飞船返回舱大得多，因此它需要一条特殊的长跑道，在离地面150 m时起落架放下，航天飞机最后是以 90 m/s 左右的速度冲上跑道，滑行约1 500 m后停下.

在浓密的大气层中，速度极快的宇宙飞船和航天飞机，它们的外壁由于与空气激烈摩擦，要产生大量的热，机头温度可以达到1 000℃甚至3 000 ℃，整个机身变成一个炽热耀眼的火球（就像我们经常看到的火流星那样）.当航天器进入距离地面60 km左右区域时，是最危险的区域.由于稠密空气在高温下会发生电离，所有无线电波都无法通过，无线电通讯都会暂时全部中断，被人们称为可怕的“黑障区”……那真是一个惊心动魄的场面！

宇宙飞船的返回舱中有航天员和珍贵仪器资料，而航天飞机中更有多名航天员.要保证宇宙飞船的返回舱和航天飞机安全“下凡”，就必须研究制造一件航天器的“避火衣”！从科学原理上讲，目前只有两种方法：一种是“烧蚀法”，另一种是“覆盖法”.

宇宙飞船“自我牺牲”式“避火衣”

由于宇宙飞船只使用一次，科学家精心设计了一件奇妙的“避火衣”，它是用瞬时耐高温材料制成的，这是由一种特殊纤维材料加上有机物组成的，在宇宙飞船不同部位的厚度不同.

当宇宙飞船返回舱由太空“下凡”返回地球通过大气层时，与空气剧烈摩擦将产生大量的热，这件“避火衣”遇到高温时它就会“引火烧身”，自己先燃烧起来，其中的有机物会带走大量的热量.更奇妙的是，“避火衣”在燃烧自己的同时，还形成了一层厚厚的多孔炭化层，紧紧地附着在返回舱的外壁，这一层炭化层具有极好的隔热效能.这样，宇宙飞船的“自我牺牲”式“避火衣”的巧妙设计，使返回舱中的温度可以保持正常，一般在35 ℃以下.

我国“神舟”号宇宙飞船返回舱，外形为钟形，外部是用耐高温的复合材料制成.返回舱高2.5 m，直径也为2.5 m，重量约3 t，可以载3名航天员.返回舱是航天员的座舱和宇宙飞船的指挥中心，位于飞船的中部，是密闭结构，其上端有舱门，供航天员进出轨道舱使用，返回舱是宇宙飞船中唯一再入大气层返回地面的着陆舱段.这种自我牺牲的一次性“避火衣”使得宇宙飞船顺利“下凡”返回地面，为宇航事业做出了卓越贡献！

航天飞机“金缕玉衣”式“避火衣”

宇宙飞船只使用一次，而航天飞机要在地球和太空之间往返75次～100次，因此一次性“避火衣”就不适用了.科学家必须找到一种耐高温又不会被烧坏的“避火衣”！

是什么材料呢？原来是陶瓷，它是新型复合高温陶瓷.这种复合高温陶瓷瓦片主要由两部分构成，外层包覆的是高辐射陶瓷材料，内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维.外面颜色有白的，有黑的，颜色不一样，给人的感觉很坚实，但拿起来很轻，密度（九年级将学到）才200 kg/m³，是水的密度的.

航天飞机的外型很像一架三角翼飞机，形状比起宇宙飞船的返回舱要复杂多了.要想为它穿上严严密密的陶瓷“外衣”十分困难.科学家精心设计了31 000块陶瓷瓦片，每块长15 cm～20 cm、厚0．5 cm～9 cm，每片价值2 000美元～3 000美元.使用时再把它们拼接起来，仿佛中国古代的“金缕玉衣”一般，非常合身.这些陶瓷片对照工艺图纸，一一对号入座，利用一特殊“高效阻燃胶”,用手工一片一片粘贴到飞机上，后来研制出专业机器人，才提高了粘贴速度.这件超级“金缕玉衣”——航天飞机“避火衣”达10 t，价值达三亿六千万美元.

1981年4月，美国“哥伦比亚”号航天飞机就是“穿”着这件昂贵厚重的“避火衣”，顺利完成了太空考察.在以后几次航天飞行中，都获得了成功.

责任编辑 蔡华杰