变化中的“星舰”热防护系统

文/田丰

▲ 航天飞机的隔热瓦

在9月28日的发布会上，太空探索技术公司研发中的完全可重复使用运载火箭正式更名为“星舰（Starship）”。相对于回收复用已日渐成熟的猎鹰系列运载火箭，“星舰”与之最大的区别在于火箭二级——也就是被称之为“星舰飞船”的部分在入轨并释放有效载荷后将再入大气层并垂直着陆地面，再入时“星舰飞船”要以高达25马赫的高速钻入大气层。复用可入轨部分的思路和已经退役8年的航天飞机轨道器如出一辙，但航天飞机的热防护系统设计向来备受争议，尤其是哥伦比亚号航天飞机再入解体事故后，其安全性低、可维护性差、成本高昂的问题屡遭诟病。所以“星舰”从构想至今，人们都在好奇太空探索技术公司如何能够避免陷入航天飞机的“困境”，打造一套高可靠、低成本、可复用的热防护系统。自2016年至今，太空探索技术公司在“星舰”的防热设计上进行了一系列曲折而反复的探索，尝试和考虑过多种热防护方式，虽然距离真正的轨道试飞依旧遥远，但他们迭代和改进的过程却是一个不得不说的故事。

曾经的发汗冷却思路

说起对航天器再入热防护的经验，太空探索技术公司可谓是名副其实的“老司机”。公司旗下“龙”货运飞船自2012年首飞成功至今，已成功执行了18次任务，热防护系统工作堪称完美，尤其是飞船配备的PICA-X防热大底，对飞船返回舱提供了良好的保护。这种材料未来还将逐步改进并工作在太空探索技术公司的第二代“龙”飞船上，执行载人或货运任务。那么这种材料能否继续应用在“星舰”上，完成低成本全复用的目标呢？回答这个问题就要从PICA材料本身说起。

▲ 返回后的龙飞船大底，红圈中为spacex公司制备的TOFOC隔热瓦，其余为PICA-X

▲ 航天飞机再入温度分布图，亮黄色是温度最高的区域

PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) 意为“酚醛浸渍碳烧蚀材料”，是一种通过烧蚀来实现热防护的材料，烧蚀防热是指在热流环境中，防热材料能够发生分解、熔化、升华等多种吸收热能的物理化学变化，通过材料自身的质量损失消耗带走大量热量。主要成分包括酚醛和碳材两部分。“星尘号”返回舱是截至目前人类再入速度最快的航天器，135公里高度再入速度高达12.4 公里/秒，在110秒的时间内返回舱速度从36马赫降至亚声速，返回的过程中舱体表面的最高温度超过 2900℃。但所谓成也烧蚀，败也烧蚀，这种材料的实质就是“牺牲我自己，保护航天器”，可惜这种思路并不能满足太空探索技术公司完全可重复使用的“星舰飞船”的要求。因为每次返回后PICA-X的烧蚀层都会发生不均匀的减薄，烧蚀分解物会粘满整个航天器返回舱外壁，额外增加复用成本和翻修工作量，无法达到快速低成本复用的目的。所以太空探索技术公司必须找到一种新的非烧蚀防热方式以解决这个问题，这时候一种“古老”而“新潮”的思路进入了太空探索技术公司视线——发汗冷却（Transpiration Cooling）。

顾名思义，发汗冷却的原理和人类出汗类似，是指冷却剂（“星舰”是推进剂中的液态甲烷）顺着热防护系统表面的大量细密板孔渗出，甲烷渗出后迅速吸热升温蒸发，带走大量热量，同时形成冷却层和边界层以进一步隔绝热量，同时层间流动还将降低表面阻力。2019年初，太空探索技术公司宣称将利用“星舰”的着陆推进剂，在迎风面设置大量发汗孔和管路，甲烷在迎风面后的管路内循环，一部分经发汗孔挤出冷却，另一部分跟贮箱壁对流加热。这项技术看起来“高大上”，其实一点儿也不新鲜，在液体火箭发动机的推力室上冷却设计上，发汗冷却的应用十分普遍了，只不过从未在航天器再入热防护设计上应用过。

除此之外，太空探索技术公司也没放弃传统的隔热设计，公司与美国宇航局的埃姆斯研究中心签订了技术支持合同，获得了名为“整体增韧抗氧化复合结构”（英文缩写TOFROC）的先进非烧蚀隔热材料的技术转让。说起TOFROC，这种材料并不是“实验室里的花朵”，而是一种“久经考验”的热防护材料，曾用于波音承制的X-37B上，未来还将用于“追梦者”小型航天飞机上。

至此，业界普遍猜测太空探索技术公司的热防护系统方案是在“星舰”的头锥、翼面前缘等热流峰值最高或不便于布置发汗结构的局部区域使用TOFROC隔热瓦，而在迎风面大部使用发汗冷却，背风面利用301不锈钢本身的特性，不额外贴敷热防护材料，从而最大限度减少热防护系统的重量，降低星舰干重，挖掘运力潜力。

航天飞机复活了？

俗话说“计划没有变化快”，在发布会上太空探索技术公司宣称发汗冷却已经被当前版本的“星舰”废弃，隔热瓦将彻底覆盖星舰飞船迎风面。如此一来，当前的“星舰”设计与曾经“成也隔热瓦，败也隔热瓦”的航天飞机如出一辙。航天飞机的热防护系统设计相当复杂，单独成书都不为过。为应对再入热，航天飞机选用了多种防热材料，整个轨道器被多达2万多块形状各异的隔热瓦所覆盖，但限于当时的防热技术限制，航天飞机热防护系统的可维护性堪称一场灾难。

为了不重蹈航天飞机的覆辙，太空探索技术公司针对“星舰”将大面积使用的TOFRUC隔热瓦做了大量试验，为了验证这种隔热瓦的贴敷性能，公司首先在名为“星跳者”的悬停试验机贮箱外表面和着陆支腿内侧安装了测试用的隔热瓦。不要小看这些“贴瓷砖”的试验，由于贴敷技术和粘接剂不成熟，航天飞机在研发初期就曾被隔热瓦大面积脱落的问题长期困扰。

▲X-37B前端的防热瓦

▲屹立于得州博卡奇卡的星舰MK1

▲ 复检航天飞机隔热瓦

▲如你所见，脱落、受损，受潮、变形

另外，TOFROC 作为一种先进的陶瓷基隔热瓦，解决了早期航天飞机使用的RCC材料在耐温能力、强韧化性能和制备尺寸等方面的缺陷，基本突破了航天飞机的薄弱环节。TOFROC具有三个重要特点：一是能承受1700℃高温，高于航天飞机采用的增强碳-碳防热材料的耐受温度，而且可以重复使用；二是密度低、质量轻，航天飞机机翼前缘采用的增强碳-碳防热系统的密度约为1.6克/厘米³，而TOFROC防隔热系统的密度仅为0.4克/厘米³，后者的材料密度仅为前者的1/4；三是制造周期短、成本低，TOFROC防隔热系统制造周期是航天飞机防热系统的1/6到1/3，成本为1/10。作为第四代可重复使用防隔热材料，TOFROC克服了航天飞机隔热瓦的脆性问题，在抗氧化和抗热冲击性能提升方面进行了很大的改进，是新一代航天飞行器“非烧蚀型”轻质高强韧性热防护材料的代表。

“似曾相识”的再入方案

当前版本的“星舰”不仅热防护系统神似航天飞机，再入方式也与之如出一辙。以航天器再入阶段表面热流随温度的变化关系为例，类似“神舟”和“联盟”这种飞船再入时，飞船表面热流在很短的时间内就能达到最大值；而在航天飞机的情况下，虽然较长时间内迎风面仍保持着很高的热流密度，但是最高值相对于飞船弹道或半弹道再入要低得多，这就大幅降低了对热防护材料的性能需求。不仅如此，航天飞机的再入过载远低于载人飞船，如果“星舰”未来真的有大规模载人的可能，这种再入方式的确必不可少。此外，太空探索技术公司称“星舰”为了继续降低再入难度，还引入了航天飞机的蛇形机动，也就是再入阶段走的是Z字形轨迹，飞控会控制姿态，让两侧翼面以一定规律交替受热，从而降低热流峰值。

但“星舰”的再入设计也并非全盘借鉴航天飞机，而是依托太空探索技术公司成熟的反推着陆技术，做了改进。航天飞机的方案是水平无动力滑翔着陆，也就是说航天飞机一旦脱离地球轨道进入大气层，就是一锤子买卖，必须在指定点一次降落成功。这要求航天飞机具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距离，在滑翔中具有良好的操控，尤其要有良好的着陆操控性能，这需要采用具有较高升阻比的气动翼面设计。但是反过来，航天飞机在返回大气层之初，速度可以高达24马赫，这样的高超音速又要求采用阻力最小的升力体结构。所以两种设计约束折中后的结果就是航天飞机返回时必须沿一条精细计算过的在瞬时气动加热和累计气动加热之间最小化的路径下滑，以最大限度地降低热负荷，使用要求非常高，适用范围较窄。

▲验证新型隔热瓦和不锈钢的贴敷工艺

太空探索技术公司的“星舰”由于采用垂直反推着陆，而非滑翔水平着陆，其轨道设计的裕度和空间瞬间就不再受到滑翔能力的制约，可以引入更多的着陆方案和轨道设计来降低再入热流峰值，比如说——跳跃式弹道。跳跃式弹道的好处是，每一次擦过大气层边缘的时候，气动加热的时间较短，弹回寒冷的近地空间期间正好借机将热量耗散掉，这样一凉一热，直到动能被耗散到一定程度后，不再跳跃，直接进入大气，这对进一步降低热防护系统性能需求和重量，提高复用性都有一定好处。

说了这么多作为火箭二级的星舰飞船，似乎忽略了被称之为“超重型火箭”的一级。虽然同为“星舰”一部分，但两者的回收热环境迥然相异。由于“星舰”入轨，返回地球时要以25马赫左右的高速钻入大气层，而在更远的火星及月球任务中，甚至要以30马赫以上的高速再入大气层。超重型火箭则一直工作在大气层内，按照猎鹰9火箭一级的经验，最高速度也不过10马赫。而且更有趣的是，由于采用了301不锈钢贮箱，有效控制分离速度后，超重型火箭的热防护系统设计大幅简化。箭体再入的峰值热流直接就被包络在不锈钢的工作温度范围内，不再需要“猎鹰9”的Block5构型铝锂合金上所使用的热防护涂层。

纵观太空探索技术公司在“星舰”热防护系统上的迭代设计过程，既没有想象中的“黑科技”，也没有难以理解的“反常识”，一切都不过是成熟方案与已有技术的重新组合。在这个过程中，太空探索技术公司有所为有所不为，既有砍掉“猎鹰5”和“红龙飞船”时的壮士断腕，又有翼伞回收和换用不锈钢时的大胆借鉴。我们并不知道太空探索技术公司为什么放弃了发汗冷却，但是一定有它的理由。或许未来TOFROC也会被证明不适用于“星舰”，但航天技术的发展就是尝试和改进间不断反复，太空探索技术公司终将找到一条适合“星舰”的再入方案。

▲“星舰”飞行概念图