航天飞机何以经受火的洗礼——涂层材料专家谈防热瓦的重要性

　　江世亮

　　2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机在返回途中不幸发生机毁人亡的灾难性事故，噩耗传来，举世震惊。

　　事故发生后，哥伦比亚航天飞机防热瓦表层几处裂纹首先引起了专家和媒体的高度关注。但据介绍，一架航天飞机表层通常覆有数万块防热瓦，1～2块防热瓦出了问题是否就会诱发如此大祸，还远未有定论，但防热瓦对于航天飞机的意义确也不可小视。记者为此走访了国内知名的涂层材料研究专家、中科院上海硅酸盐研究所特种无机材料研究发展中心胡行方教授。

　　防热瓦为什么重要

　　胡教授介绍说，通俗地讲，防热瓦就相当于在墙上贴一层厚厚的瓷砖，靠了这一保护层，航天飞机就能安然穿越大气层，耐受几千度的高温。

　　从上一世纪60年代起，美国在发展载人航天器方面曾经历了两个主要阶段，一是一次性应用的登月飞行用航天器，而后是发展能多次往返使用的航天飞机。为了能反复使用，需要攻克一系列技术难关，其中防热瓦就是再入大气层必须解决的关键技术之一。通常航天飞机在返回大气层时，要经受因与大气剧烈摩擦所产生的摄氏3000度左右的高温，这一气动加热温度在航天飞机返航、着地前16分钟左右(距地面约60公里)时变得最大，有时人们从电视画面上看到经大气层返回的航天飞机似一团被火球包围的物体，就是这一缘故。经如此炽热高温烧烤的航天飞机返航后的一大任务就是要对防热瓦作全面整修，非常耗工。这也是一件令美国航天局颇伤脑筋的事。

　　防热瓦的隔热原理

　　胡教授进一步介绍说，约3厘米厚的防热瓦通常由两部分构成：外层包覆的是不足1毫米的高辐射陶瓷材料，而内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维。从俄美两国现有的航天器再入防热材料看，大致有以下几种：一是采用难熔金属蒙皮表面加涂高辐射涂层的辐射防热材料；另一种是较早期使用的吸热式防热结构材料，表面靠一层热容大的耐高温合金防热蒙皮来吸收气动热，再通过隔热材料来阻止热量传向飞船内部。这种材料由于重量大和成本高，现已基本不再采用了；第三种是烧蚀防热材料，多用于一次性使用的飞船的再入防热，主要为纤维材料或多孔颗粒加上有机物组成的低导热复合材料，其原理是通过有机物热化学分解和气化带走大量热量和留下的多孔碳层起到了隔热、耐高温作用。美国航天飞机由于需要多次往返使用，因此采用的是前面所说的表面具有高辐射性能的防热瓦隔热技术，但据说，美国航天局已在考虑把最外面的一层耐高温陶瓷层改为耐高温合金层，以解决目前防热瓦过于脆弱的问题。

　　可靠性怎么强调都不过分

　　在此次访问胡行方教授前，我曾听多位专家介绍胡先生是国内研究航天器涂层材料的专家，并曾为我国两弹一星的研制解决过重要的隔热问题，近年来，胡先生和硅酸盐所的多位专家又在为我国神舟号飞船的研制殚精竭虑。虽然还是在春节假期中，但胡先生从哥伦比亚航天飞机一出事起就一直关注这件事的进展，从网上下载了大量资料以备研究用。在谈到这起航天灾难性事件对我们的启示时，这位涂层材料专家说，尽管中国航天界一直非常重视可靠性，但这起灾难性载人航天事故再次提醒我们，可靠性问题怎么强调都不过分！

　　与国内外许多科技界学者一样，胡教授对人类航天事业的前景仍然表示乐观，从1981年哥伦比亚号航天飞机首次实现处女航以来，迄今人类已完成了一百多次载人航天飞行，而发生灾难性事故的共有5次，成功率无疑是很高的。尽管这次事故十分可惜，其对整个航天事业带来的影响可能还要持续一段时间，但航天事业的发展，人类对未知世界的探求是不会因此而停顿的。