宇宙飛船和航天飛機的“避火衣”

2005年10月12號9時，“神舟”六號飛船劍指蒼穹，成功發射。歷經五天五夜，17日4時32分神舟六號返回艙安然穿越大氣層，平穩地降落在內蒙古阿木古朗草原著陸場。

2003年10月16日6時23分，“神舟”五號飛船順利返回、安全著陸，圓滿完成了中華民族首次載人航天飛行的偉大壯舉。

2003年元旦0時09分，從太空傳來中國“神舟”四號宇宙飛船的新年祝福聲，“祝全國人民新年快樂!”飛船在完成預定考察任務以后，“返回艙”安全返回了指定地面。

“下凡”經受火的洗禮

宇宙飛船和航天飛機從天外“下凡”返回地球，可是一個非常復雜的難題，它們的速度要由第一宇宙速度(7．9千米／秒)進人大氣層，利用緩沖火箭和巨大的降落傘(面積有1000多平方米)，使速度逐漸降低。宇宙飛船“返回艙”最后是以3．5～10米／秒的速度軟著陸。

而航天飛機降落時的速度要大得多。它需要一條高質量的特殊跑道，在離地面150米時起落架放下，航天飛機最后是以90米／秒左右的速度沖上跑道。滑行約1500米后停下。

在濃密的大氣層中，速度極快的宇宙飛船和航天飛機的外壁由于與空氣激烈摩擦，要產生大量的熱，這就是所謂的“氣動加熱”。在距離地面60千米左右，溫度變得最高，在機頭，溫度可以達到1000～3000℃。整個機身變成一個熾熱耀眼的火球，就像我們經常看到的火流星，與地面的無線電通訊都會暫時中斷(稱為“黑障現象”)。

這實在讓人擔心！宇宙飛船的“返回艙”中有宇航員和珍貴儀器資料。所以必須保證宇宙飛船和航天飛機安全“下凡”，經過烈火高溫的洗禮，通過大氣層順利返回地面。這就必須研究制造一件宇航器的“避火衣”!

宇宙飛船的“避火衣”

由于宇宙飛船只使用一次，科學家為宇宙飛船“返回艙”精心設計了一件奇妙的“避火衣”。它是用“瞬時耐高溫材料”制成的，這是一種特殊纖維材料或多孔顆粒加上有機物組成的，是一種低導熱復合材料，這一層材料厚度是經過精心計算設計的。在宇宙飛船不同部位的厚度是不同的。在“返回艙”的前緣是承受溫度最高的部位，因此需要重點保護。

當宇宙飛船返回艙由太空“下凡”返回地球通過大氣層時，與空氣劇烈摩擦將產生大量的熱，這件“避火衣”遇到高溫時就會主動“引火燒身”。自己先燃燒起來，其中大量的有機物會發生化學分解和氣化，帶走大量的熱量。更奇妙的是：這件“避火衣”在燃燒自己的同時，還形成了一層厚厚的多孔炭化層，緊緊地附著在“返回艙”的外壁，這一層炭化層具有極好的隔熱效能，在它嚴密的包裹下，能有效地防止外界熱量傳入艙內。

宇宙飛船返回艙的“避火衣”設計十分巧妙，重量比較輕，但是由于它的雙重奇妙功能，使“返回艙”中的溫度可以保持正常，一般在35℃以下，十分安全。

我國“神舟”號宇宙飛船返回艙為鐘形，外部是用耐高溫的復合材料制成。返回艙高2．5來，直徑也為2．5米，重量約3噸。可以載3名宇航員。返回艙是宇航員的座艙和宇宙飛船的指揮中心，位于飛船的中部，為密閉結構，其上端有艙門，供宇航員進出軌道艙使用，返回艙是宇宙飛船中惟一再人大氣層返回地面的著陸艙段。

這種自我犧牲的一次性“避火衣”，使得宇宙飛船返回艙順利“下凡”返回地面，為宇航事業做出了卓越貢獻!

航天飛機穿上“金縷玉衣避火衣”

宇宙飛船只使用一次，可航天飛機要在地球和太空往返75-100次，而且載重量大大超過宇宙飛船，因此，這種一次性自我犧牲式“避火衣”就不能適用了。科學家必須找到一種耐高溫又不會被燒壞的超級“避火衣”！

經過艱苦的努力，航天飛機的超級“避火衣”研制成功了，是用什么材料制成的呢?原來竟然是陶瓷，當然與古老的陶瓷大不相同，它是新型復合高溫陶瓷，主要由耐高溫的碳化物、氮化物、氧化物(如碳化硅、氮化硼、氧化鋯等)材料組成，經過現代特殊工藝加工制成。

這種“復合高溫陶瓷瓦片”主要由兩部分構成，外層包覆的是高輻射陶瓷材料，內部是導熱系數非常低的耐高溫陶瓷纖維。

航天飛機的外型很像一架三解翼飛機，形狀比起宇宙飛船的“返回艙”，要復雜多了。要想為它穿上嚴嚴密密的陶瓷“外衣”十分困難。科學家精心設計了31000塊陶瓷瓦片，每塊長15～20厘米、厚0．5～9厘米。每片價格2000-3000美元。使用時再把它們拼接起來，仿佛中國古代的“金縷玉衣”一般，非常合身。

這樣做還有兩個好處：一是每個陶瓷片之間都留有微小空隙，可以防止它們受熱變形互相擠壓而損壞；二是如果個別陶瓷片毀壞，修理起來方便。

在航天飛機的機頭和機翼的前緣。溫度最高，必須重點保護，使用最厚的“陶瓷瓦片”。這些陶瓷片都按照設計預先標好號碼，對照工藝圖紙，一一對號入座。利用一種特殊的“高效阻燃膠”，用手工一片一片粘貼到飛機上。由于工藝要求非常高，美國第一架航天飛機共用了12000名技術工人，足足花了一年時間才完成“避火衣”的粘貼工作。后來為了提高效率．專門設計了粘貼陶瓷片的機器人。

這件超級“避火衣”近一萬公斤重，價值達3．6億美元。

1981年4月，美國“哥倫比亞”號航天飛機就是穿著這件昂貴的“金縷玉衣避火衣”，完成了太空考察。經過烈火考驗返回地面以后，在31000多塊降溫瓷片中，需要更換的只有1300塊，占總數的4．5％!又經過不斷改進，在此后幾次宇航飛行中，都獲得了成功。

呼喚新型“避火衣”

然而，2003年2月1日卻發生了轟動全球的悲劇：美國“哥倫比亞”號航天飛機在返回地球時爆炸失事，7名宇航員全部遇難，釀成了轟動全球的航天事故。

“哥倫比亞”號航天飛機的失事原因，經過科學家認真分析，據判斷就是“避火衣”出了問題：有1-2塊避火隔熱的“陶瓷片”損壞或脫落，使烈火進入機身，高溫使航天飛機爆炸墜毀!

目前，科學家準備把航天飛機避火隔熱的“陶瓷片”，由高輻射陶瓷材料改為耐高溫的“特殊合金層”，這樣可以大大加強陶瓷瓦片“避火衣”的抗撞強度。

對于各種宇航飛行器的“避火衣”，各國科學家正在繼續研究，它是保證宇航器安全返回地面的關鍵設施之一。而且，如果能減輕“避火衣”的一些重量，對發射火箭推力的要求就可以降低很多，從而可以大大降低宇航工程的成本。據計算，宇航飛行器的“避火衣”重量減輕1千克，可以使推動火箭減少500千克；“避火衣”減輕15％，那么可以使宇航器的飛行距離與上升速度各增加10％！