航空航天中的“防热衣”

宇宙飞船和航天飞机的“避火衣”作者：秋寒来源：《发明与创新(学生版)》2006年第09期2005年10月12号9时，“神舟”六号飞船剑指苍穹，成功发射。

历经五天五夜，17日4时32分神舟六号返回舱安然穿越大气层，平稳地降落在内蒙古阿木古朗草原着陆场。

2003年10月16日6时23分，“神舟”五号飞船顺利返回、安全着陆，圆满完成了中华民族首次载人航天飞行的伟大壮举。

2003年元旦0时09分，从太空传来中国“神舟”四号宇宙飞船的新年祝福声，“祝全国人民新年快乐!”飞船在完成预定考察任务以后，“返回舱”安全返回了指定地面。

“下凡”经受火的洗礼宇宙飞船和航天飞机从天外“下凡”返回地球，可是一个非常复杂的难题，它们的速度要由第一宇宙速度(7．9千米／秒)进人大气层，利用缓冲火箭和巨大的降落伞(面积有1000多平方米)，使速度逐渐降低。

宇宙飞船“返回舱”最后是以3．5～10米／秒的速度软着陆。

而航天飞机降落时的速度要大得多。

它需要一条高质量的特殊跑道，在离地面150米时起落架放下，航天飞机最后是以90米／秒左右的速度冲上跑道。

滑行约1500米后停下。

在浓密的大气层中，速度极快的宇宙飞船和航天飞机的外壁由于与空气激烈摩擦，要产生大量的热，这就是所谓的“气动加热”。

在距离地面60千米左右，温度变得最高，在机头，温度可以达到1000～3000℃。

整个机身变成一个炽热耀眼的火球，就像我们经常看到的火流星，与地面的无线电通讯都会暂时中断(称为“黑障现象”)。

这实在让人担心！宇宙飞船的“返回舱”中有宇航员和珍贵仪器资料。

所以必须保证宇宙飞船和航天飞机安全“下凡”，经过烈火高温的洗礼，通过大气层顺利返回地面。

这就必须研究制造一件宇航器的“避火衣”!宇宙飞船的“避火衣”由于宇宙飞船只使用一次，科学家为宇宙飞船“返回舱”精心设计了一件奇妙的“避火衣”。

它是用“瞬时耐高温材料”制成的，这是一种特殊纤维材料或多孔颗粒加上有机物组成的，是一种低导热复合材料，这一层材料厚度是经过精心计算设计的。

Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2018年第13期·87·文章编号：2095－6835（2018）13－0087－02浅谈航天飞行器的热防护刘洋，刘瑞勋，郭锐，樊宇，刘庆龙（天津航天长征火箭制造有限公司，天津300462）摘要：在人类航天史上，无论是离开地球还是从空间中返回地球，人们都无法绕开如何突破覆盖在地球表面的大气层。

大推力、大运载火箭的研发不仅对于火箭的动力系统要求越来越高，对于火箭材料的耐高温性能及热防护性能的需求也更加迫切。

对航天飞行器在工程应用中的热防护材料种类和常用的材料优缺点进行了详细的介绍。

关键词：航天飞行器；热防护；防热材料；聚酰亚胺中图分类号：V445.1文献标识码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2018.13.0871航天飞行器在结构、弹道上的热防护航天飞船之类的飞行器，在再入大气层时，一般采用的是弹道式再入加降落伞的方法。

按照我们的固有理念来说，尖锐的头部结构造型可以减少气动摩擦，从而避免表面升温。

但实际情况远非如此，再入过程中的高速度使得升温过程太快，尖锐头部对减小气动加热的作用微乎其微。

1951年美国物理学家亨利·艾伦发现，高速航天器对前方的空气形成强烈的压缩，在前方形成一个伞状的空气锥。

前端静态空气加热的是空气锥，而不是航天器本身，因此他提出航天器的头部应该是钝形的，详见图1.圆钝形头部前方的空气温度可超过5000℃，而航天器表面温度在1200℃左右，说明了钝形气动布局的有效性，也就形成了目前我们常用的结构，我们也叫它“防热大底”或者“热盾”。

在弹道设计上，最典型的防热例子就是航天飞机再入大气层。

航天飞机在返回时要严格按照一条精细计算过的弹道返回，这样不仅仅是确保降落时的准确性，更重要的是，这条弹道要具有瞬时气动加热和累计气动加热之间最小化的条件，最大限度地降低热效应。

飞船返回舱的防热衣乐乐课堂
在从太空返回过程当中，虽然返回舱与大气层剧烈摩擦形成一个大火球的样子，但是里面的航天员却不会因此而受到高温炙烤，返回舱究竟是如何经受住两千多摄氏度的高温考验的呢？这就要靠它表面的一种高温隔热材料。

隔热材料分为多孔材料、热反射材料和真空材料三类。

前者利用材料本身所含的孔隙隔热，因为空隙内的空气或惰性气体的导热系数很低，如泡沫材料、纤维材料等；热反射材料具有很高的反射系数，能将热量反射出去，如金、银、镍、铝箔或镀金属的聚酯、聚酰亚胺薄膜等。

真空绝热材料是利用材料的内部真空达到阻隔对流来隔热。

航空航天工业对所用隔热材料的重量和体积要求较为苛刻，往往还要求它兼有隔音、减振、防腐蚀等性能。

各种飞行器对隔热材料的需要不尽相同。

飞机座舱和驾驶舱内常用泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板来隔热。

返回式航天器所使用的隔热材料需要在高温下保持原有强度与刚度；受较大热应力不变形；耐热疲劳特性优秀；此外其密度必须非常小且易加工。

对于受热均匀或受热面积小的返回式航天器，可仅适用一种高温隔热材料；但对于受热不均或受热面积大的返回式航天器（如航天飞机），应根据隔热要求的不同，合理布置各材料位置。

航天器根据任务的不同，对材料的要求也是不同的。

但就返回式航天器的热防护性能或隔热性能而言，材料的使用相差无几。

如上述
内容所言，辐射防热结构曾经是而且将继续是先进的返回式航天器防热的主要结构形式。

北师大版物理初二上册1学习目标：1、会说明自然界一些水的循环现象，及其物态变化；2、了解高压锅的工作原理；3、了解电冰箱的工作过程；4、了解航天技术中的物态变化。

学习重点难点进一步认识熔化、凝固、汽化、液化、升华、凝华概念及其相互间的联系。

用水的三态变化说明自然界一些水的循环现象预习案一、自然界中的水循环1、云的形成：大海、江河、土壤和植物中的水成水蒸气，水蒸气升到高空遇到冷空气，一部分成小水滴，一部分成小冰晶。

小水滴和小冰晶在高空中足够多时，就形成了云。

2、雨的形成：云中的小水滴和小冰晶随气流急速上下运动，它们相遇后越聚越大，达到一定程度空气托不住时就下落。

下落时冰晶吸热成水滴，与原先的水滴一起落到地面，这确实是雨。

3、雪的形成：当气温降到0℃以下时，高空中的水蒸气在空中成固态，为六角形的冰晶（或叫雪花），在飘降时相互结合形成雪片或雪团。

4、冰雹的形成：当夏季高空中有冷空气团存在时，空中的小冰晶凝聚成小冰块。

有些小冰块体积较大，下落过程中不能完全成水，落到地面确实是冰雹。

5、雾的形成：当地面邻近的气温降低时，假如空气中有较多的水蒸气，水蒸气遇冷就会成专门小的小水滴，大量的小水滴充满在空中确实是我们看到的雾。

6、露水的形成:初秋季节，夜间温度下降，假如空气中有较多的水蒸气，水蒸气遇冷就会成小水滴，大量的小水滴附着在植物的表面确实是我们看到的露水。

7、霜的形成：深秋或初冬季节，晚上气温会降到0℃以下，这时空气中的水蒸气在地面或植物的表面上放热成小冰晶，这确实是霜。

落回地面的雨、雪、冰雹、露水和霜吸热后或或成水蒸气，这些水蒸气再升到高空，水在自然界就完成了一个循环。

二、高压锅1、工作过程：高压锅刚开始煮食物时，锅盖与锅身、放气孔处、易容片处差不多上密闭的（即不漏气）。

随着时刻的延长，锅内食物上方气体的气压越来越大，导致水的沸点。

当水的沸点超过110℃时，锅内气体的压力足够大，能够将锅盖上方的安全阀顶起来，如此锅内气体将顺着放气孔跑到锅外，现在锅内气体的压力逐步减小，当不足以顶起安全阀时，安全阀又自动落下来将放气孔密封，锅内气体的气压又逐步升高，水的沸点也跟着升高。

使神号航天飞机的防热系统
韩鸿硕
【期刊名称】《中国航天》
【年(卷),期】1987()6
【摘要】法国使神号航天飞机的防热系统借鉴了美国航天飞机的经验,但又有自己的特点。

本文概括介绍了使神号的气动加热与防热系统的优化设计,以及防热方案与防热材料选择的近况,并评价了各类防热方案,特别指明了陶瓷复合材料盖板+多层反射层防热系统和陶瓷复合材料热结构的优点,最后给出了使神号上可能采用的防热系统分布图。

【总页数】6页(P)
【关键词】使神号航天飞机;防热系统;防热材料;热结构;空气动力加热
【作者】韩鸿硕
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】V47
【相关文献】
1.使神号航天飞机的飞行控制系统 [J], 林来兴
2.使神号防热系统 [J], Delon,JP;陶仕军
3.使神号防热系统内部多层隔热材料 [J], Muehl.,A;黄品秋
4.使神号航天飞机防热试验大纲 [J], Cret.,JC;孙国庆
5.使神号航天飞机的飞行控制系统 [J], 林来兴
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气凝胶――高超声速飞行器未来的“防火服”高超声速飞行器[1-3] 具有高超声速巡航、快速机动反应、可靠性高和低维护成本等特点，是各军事强国在21 世纪竞相发展的重要战略武器装备。

当执行任务时，它将在临近空间以极高的速度飞行和再入，势必与周围空气发生剧烈摩擦而产生相当多的热量，其表面温度将高达上千摄氏度。

为保证飞行器主体结构及内部仪器设备的安全，必须想方设法对其进行“保冷”或“降温”。

其中，最重要的手段就是采用低热导率的材料阻止外部热量向其内部传递，并且热导率越低效果越好。

这种低热导率的材料被称为“隔热材料”或“保温材料”。

顾名思义，这种材料的作用就是阻滞热流传递，与绝缘材料阻滞电流类似。

玻璃纤维、岩棉、石棉、聚氨酯泡沫等是工业上较为常用的隔热材料，冬季用于防寒保暖的羽绒服内部充填的羽绒是我们日常生活中最为常见的隔热材料。

目前，热导率最低的材料当属超级隔热材料。

超级隔热材料是指热导率在同温度下低于静止空气的一类隔热材料，主要有两种，一种是真空超级隔热材料[4-6] ，另一种是纳米孔超级隔热材料[7-9] 。

真空超级隔热材料主要依靠其内部较低的真空度来实现低热导率，其隔热原理类似于我们日常生活中常用的“保温杯”，只不过其真空腔不是由不锈钢等金属制造的，而是由有机膜构成的，因此不能够耐受高温，比较适合在较低的温度环境下使用；纳米孔超级隔热材料则主要依靠自身纳米大小的孔隙结构来实现低热导率，因此可以在高温环境下使用，更加适用于高超声速飞行器。

其中，气凝胶[10-12] 就是一种典型的纳米孔超级隔热材料。

1 气凝胶的结构与隔热性能气凝胶是一种以纳米粒子或高聚物分子相互聚集形成的超低密度轻质多孔性固体材料，以纳米多孔网络结构为骨架，气体填充在多孔网络结构中，其孔隙直径介于1〜100nm 简单来说，气凝胶的结构类似于“海绵”，只不过孔洞的大小要比“海绵” 小上万倍，因此只凭肉眼是看不到孔洞的，只能借助电子显微镜放大几万倍才能进行观测。