有来有去，可不容易

馒头老妖，南京大学化学博士、西华大学生物工程学院讲师。《视觉之旅：化学世界的分子奥秘（彩色典藏版）》《地球简史》等图书译者、吴大猷科学普及著作奖获得者（译著类），撰写过大量科普文章，热衷于写侦探小说。

在人类冲出宇宙、探索宇宙的过程中，“怎么过去”的问题往往占据了绝大部分资源，而到了载人航天的阶段，“怎么回来”的问题，就显得非常重要了。或许你会认为既然能去，回来自然是简单的。但事实上，要让航天员平安回家，还真不是一件简单的事，需要克服方方面面的难题，其中一个，就是如何应对大气层的严峻考验。

大气层带来的乐与忧

我们都知道，地球的最外围有一层稠密的大气层。正是大气层扛住了各种宇宙中路过的小天体及其碎片，保护了地球表面的生物。这些路过的小天体和碎片会在坠落的过程中和空气产生摩擦，从而产生大量的热，进而被烧毁、蒸发。倘若没有大气层的保护，那地球就会被砸得“狼狈不堪”，地表上布满各种环形山，人类文明也就不可能存在了。

大气层的保护虽然重要，但对于要返回地球的航天器而言，大气层却是一个不得不面对的巨大障碍。因为无论是航天飞机还是宇宙飞船，在返回地球、进入大气层之前，都会以高超音速（指物体的速度超过5倍音速）环绕地球飞行，比如，神舟十号的每秒飞行距离就高达7.9千米。但是，这样的高速会使得航天器和高速坠落的陨石一样，遭受大气层的剧烈摩擦和冲击，从而被燒毁。如何减速，是航天器面临的巨大难题。

航天飞船的减速，并不像汽车刹车那么简单。大气层外空气稀薄，几乎没有空气阻力，减速只能依靠飞船尾部火箭的反推作用进行，但飞船携带的燃料有限，不仅要用于减速，还要预留给飞船进入大气层后调整姿态。这也就导致飞船返回再次进入大气时，航天器的速度依然会保持在亚音速上（神舟飞船的返航速度大致为200米/秒）。而这个速度意味着，飞船仍然会有很高的风险。

航天器设计上的多重挑战

航天器和大气层之间的摩擦，最直接的后果就是产生巨大的热量，从而导致航天器表面的温度飙升。从实际测量的数据来看，航天器迎风面（就是正对地球的方向）的表面温度最高可达1600℃以上——而常见的钢铁，熔点在1500℃左右，瞬间就会变成液体。当然，还等不到这些材料变成液体，它们就早已软化、脆裂，让整个航天器变成碎块了。

航天器都无法承受的高温，人类就更不能承受了。人类能耐受的最高温度，至多也就50℃左右。因此，不仅航天器的外壁需要耐热，还必须确保这些热量不会被传导进舱内，才能保证航天员的生命安全。

除了高温之外，航天器和大气层之间的摩擦还会带来巨大的冲击力。一般来说，地表上能遇到的超级飓风，风速大致是70米/秒左右，这就已经足以造成房倒屋塌的可怕后果。而航天器进入大气层时，风速是超级飓风的3倍，它将要承受的冲击力可想而知。

航天器表面的材料，仅仅做到“坚如磐石”是远远不够的。美国“哥伦比亚号”航天飞机，在发射、起飞阶段，因一块脸盆大的泡沫撞击隔热瓦，留下了一道非常微小的缝隙，当时并没有体现出麻烦;而当航天飞机返回地球时，炽热、迅猛的热流顺着缝隙冲进了机翼之中，几乎在瞬间就导致了航天飞机凌空解体，7名宇航员全部罹难。这个教训，实在是令人难忘。

此外，航天器全靠运载火箭发力，因而对航天器的质量、体积的要求都非常严格。航天器上每增加一公斤，都意味着巨大的成本投入。因此，航天器表面的隔热、抗冲击材料，还必须保持很低的密度，否则重量就会太大，缺乏实用价值。

如此严苛的要求，给航天工程带来的挑战是巨大的。

路漫漫，上下而求索

在不断探索中，科研人员终于找到了解决这些难题的答案，概括起来，就是八个字：复合材料，“弃车保帅”。

所谓“弃车保帅”，就是在航天器外表面的材料中，有意识地让一部分材料先被碳化、熔化、蒸发，通过材料的熔化热、汽化热来吸收热量，必要时还可以让其烧毁、分解，产生大量的气体并带走热量。当这些热量被转移时，航天器本身的温度就得以维持在很低的水平上。

想要通过这样的方式来降温，材料就必须要达标。经过不断研制，目前有两种模式的复合材料可以做到。

一种叫做“蜂窝式复合材料”。它使用酚醛树脂等耐热、坚固、低密度的有机材料制成骨架，起到支撑结构、抵抗冲击的作用;空隙中再填满容易熔化、蒸发的复合材料，比如硅橡胶、二氧化硅微球、酚醛树脂微球、石墨微球等，起到带走热量的作用。

另一种则主要采用碳纤维等坚韧的物质，将其外表面浸渍酚醛树脂，凝结成类似海绵一样疏松多孔的结构。

这些复合材料，不但满足航天器低密度的同时结构坚固的要求（通常在0.5克/cm3左右，比木头还要轻），能够有效地抗击冲击而不被撕裂;而且导热性很差，能通过自身的相变和烧蚀吸收热量，担负起保护航天器、航天员的重任。

当然，这些材料的具体配方、制造工艺如何，都被各国列为机密，外界不得而知。我国航天科技人员也是靠长期的摸索试验，不断迭代，依靠自己的力量解决了问题。他们，和航天员一样，都是我国载人航天事业的功臣。