像“嫦娥”5號那樣打水漂

晨楓

削弱氣動加熱的新思路

相比于把人送入太空，如何讓人從太空安全返回是更大的挑戰。一般航天器都采用彈道式再入加降落傘的方式，也就是說，像隕石一樣在重力作用下自由下落，然后到稠密大氣層內一定高度時打開降落傘，用氣動阻力減速，實現軟著陸。在自由下落過程中，氣動加熱使航天器表面急劇升溫。從降低氣動阻力以減少氣動加熱的角度看，再入的航天器應該采用尖銳的頭部。但理論計算和實驗證明，再入過程中極高的速度使氣動加熱的升溫速度太快，尖銳頭部對減小氣動加熱的作用微乎其微，頭錐受到在時間和空間上高度集中的熱負荷，根本沒有時間散熱，將很快被燒毀。耐熱材料或隔熱、散熱、導熱技術只能略微推遲被燒毀的時間，但不能從根本上改變被燒毀的結局。1951年，美國NACA（NASA的前身）物理學家亨利·艾倫在研究中發現，高速的航天器前端對空氣產生強烈壓縮，在前方大氣中形成一個傘狀的激波錐，激波前沿的空氣密度急劇升高，實際上像一堵堅硬但移動的墻一樣，航天器則在墻后的尾流中前行。由于和前方靜態空氣直接接觸的是激波錐而不是航天器本身，氣動加熱主要由激波前沿和前方的靜態空氣之間的壓縮和摩擦產生，熱量也主要沿密度極高的激波鋒面內部傳導和耗散。如果航天器表面和激波鋒面保持一定的距離，激波鋒面和航天器表面之間的邊界層實際上形成保護層，航天器本身承受的熱負荷就要小很多。……