本科生科研指南（27）：突破热障
张宇宁
华北电力大学（北京）
2003年10月16日5时35分（注一），北京航天指挥控制中心向正在太空中运行的我国首个载人飞船神舟五号发送返回指令，自此神舟五号飞船开始返航。6时04分，神舟五号飞船进入大气层。在此过程中，根据宇航员杨利伟的自述（注二），“快速飞行的飞船与大气摩擦，产生的高温把舷窗外面烧得一片通红；紧接着，在通红的窗外，有红的白的碎片不停划过”。由此可见，飞行器在高速飞行过程中除了要突破“声障”以外（注三），还因为外部高温压缩空气的影响及飞行器与空气的摩擦生热而造成机体表面温度的急剧升高，难怪宇航员杨利伟驾驶神舟五号飞船进入大气层后飞船的舷窗外面会被烧得“一片通红”。在飞行器早期的设计和实践过程中，因为机体材料无法承受上述过程中所产生的巨大热量，飞行器的速度一直遇到难以突破的瓶颈。为了方便表述，业内一般将上述因在大气层中飞行器飞行过程中所产生的热量所造成的飞行速度的限制简称为“热障”。因为突破“热障”后飞行器的速度便可以迅速的提升，其应用范围也可以大幅度的拓展，所以该现象一直是航空航天领域的重点内容之一。为了方便本科生对相关概念能够有一定的了解，本文将详细介绍“热障”现象及其克服方法。
图一 神舟五号飞船返回舱
图片引自新华网 http://www.people.com.cn/GB/keji/1059/2135603.html
当人类在1947年10月14日第一次突破了声障实现了超音速飞行之后，飞行器的速度一直在不断的提升。最初，航空界普遍认为，飞行器飞行过程中因为空气是冷的，可以很好地给飞行器表面进行冷却。但是，实践证明，当飞行器的速度继续升高之后，飞行器周围的空气因被更为剧烈的压缩导致其温度显著升高，导致飞行器的材料因无法有效承受上述高温而失效。因此，飞行器的速度便一时被“热障”所阻碍。实际上，上述“热障”现象在理论上是可以明确解释的。早在1938年，我国知名科学家钱学森先生在其博士论文的第一章中（注四）便有详细的理论计算和描述。根据钱先生的算例计算结果（注五），当飞行器以6倍声速飞行时，其表面的温度将达到外界温度的8倍（大约1500摄氏度）。试想一下，如果没有材料性能的提升和足够的防护措施，当飞行器运行在如此高温度的高压空气之中，飞行器的材料必然无法承受。此外，上述高温不仅仅影响飞行器的外部结构及材料，对于飞行员的安全以及机组内的各种仪器仪表也均造成了重大的威胁。具体而言，当飞行器的速度高于2.5倍声速之时，“热障”便会非常显著。因此，在一段时间内，飞行器的速度因“热障”的影响而无法进一步提升。
图二 钱学森先生的博士论文封面
最为直接有效的克服上述“热障”的方法便是将飞行器的材料更换为能够耐受高温同时具有较高强度的材料。例如，美国采用钛合金材料制造飞机，而前苏联采用不锈钢材料进行替代，二者都对克服“热障”起到了不错的效果。经过长期的努力，1956年9月27日，人类终于突破了“热障”，达到了3.2马赫（注六）。随后，战斗机、侦察机的速度得以大幅度的提升。
图三 首次突破“热障”的X-2试验机
图片引自维基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/X-2%E8%A9%A6%E9%A9%97%E6%A9%9F
此外，飞行器的热防护方法还包括加装隔热设备和安装冷却系统给飞行器的表面进行降温等措施。随着技术的进步，飞行器表面还经常被覆盖一层烧蚀材料，从而将热量通过烧蚀材料的融化、汽化等过程有效地耗散掉。一般而言，此类烧蚀材料一般是采用汽化潜热大、绝热性能好的、高强度的复合陶瓷制备，从而有效地保护飞行器的安全。类似地，飞行器的表面也经常涂抹一层防护涂层以防止过热所造成的材料破坏。在“热障”防护方面，我国神舟五号载人飞船采用了烧蚀材料和涂层防护等方法，杨利伟所看到的碎片便是烧蚀材料逐步脱落后留下的。
因为航空航天工程的复杂性，突破了“热障”并不意味我们便可以一劳永逸。一个惨痛的教训便是美国的哥伦比亚号航天飞机的失事事故。2003年2月1日，当哥伦比亚号再入大气层时，因航天飞机的热防护系统被其外部脱落的泡沫材料损毁而失事，机上7名航天员遇难。由此可见，飞行器热防护系统及其有效设计仍然是航空航天领域的核心议题之一。
从“热障”研发的历史中，本科生可以体会以下几点。
1. 前瞻性。科学研究需要有一定的前瞻性，应通过仔细的分析和推理去发现重要的问题。在“热障”现象的研究过程中，部分研究人员墨守成规地认为飞行器不会发生“热障”问题。但是，钱学森先生通过理论推导和物理分析遇见到“热障”的必然性以及其对飞行器发展的重要影响，而后续的实践完全证实了上述预见的准确性。因此，在研究过程中，需要对所研究的领域有前瞻性的思考，尤其是思考那些尚未出现的，但在未来可能起决定性作用的重要现象。
2. 关注细节。细节决定成败，在需要团队作战的重大项目中尤其如此。根据调查结果，美国哥伦比亚号航天飞机失事的原因主要在于泡沫材料的焊接工艺问题，其焊缝处所掺杂的少量氢气泡在受热膨胀后会导致泡沫分离，从而脱落并损毁了热防护系统。遗憾的是，上述问题未能够被及时发现，不仅造成航天飞机解体和7名宇航员丧生等恶劣事故，而且对航空装备的后续研发和使用造成了很大的冲击。另一个例子是为耗费巨资研发的哈勃望眼镜（注七）提供主镜片的制造公司在镜片磨制过程中存在重大失误，导致该镜片聚焦不准。更为惊讶的是，该问题直到该望远镜被送到太空中才因传回的图像极为模糊而被发现，一时成了全世界的笑谈。
3. 牺牲精神。一项重要工程的成功实施需要几代人的努力和拼搏，除了有效的团结协作以外还要敢于牺牲个人的利益。在航空航天发展的过程中，无数的航天员和试飞员做出了杰出的贡献甚至献出了生命。例如，驾驶X-2试验机首次突破“热障”的米尔姆•阿普特（注八）便因飞机在一个倾斜转弯动作之后的操作失灵事故而牺牲。
4. 关注前沿学科。随着“热障”现象及其防护措施的持续研发，逐渐形成了气动热力学这一空气动力学领域的新分支，重点研究高速飞行器边界层内的传热传质现象、烧蚀作用的特征及其与周围流场的耦合作用等等内容。本科生应该多关注这些前沿、新兴学科的发展和研究进展，并有效地围绕感兴趣的议题积累相关知识。
注释部分
注一：本文中关于神舟五号的详细时间数据均引自维基百科
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A5%9E%E8%88%9F%E4%BA%94%E5%8F%B7
注二：摘自杨利伟自述《天地九重》，解放军出版社，2010年1月出版
注三：当飞行器速度接近声速之时，因周围的空气被急速的压缩，飞行器的阻力会迅速增加，飞行器机体亦受到巨大的压力，简称为“声障”。关于“声障”的详细内容及介绍，请读者详见笔者的系列博文，本科生科研指南（26）：突破声障
http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1213542.html
注四：钱学森先生的博士论文题目如下，关于热障现象的描述在该论文的第一部分。该论文于1938年1月1日答辩，原文下载自加州理工学院的网站。
Hsue-shen Tsien, Ph.D Thesis, Problems in Motion of Compressible Fluids and Reaction Propagation, Caltech. 下载网站：https://thesis.library.caltech.edu/133/
注五：此算例及相关数据详见钱永刚编著的《钱学森精神读本》，第118页。
注六：第一次突破“热障”的飞行器是美国的X-2火箭飞机，其在1956年9月27日的试飞中首次突破“热障”，但后续因为控制系统失灵而坠毁在沙漠中。
注七：哈勃望远镜的故事详见知乎
https://zhuanlan.zhihu.com/p/32897299
注八：英文名Milbum G. Apt，关于X-2试验机的详细细节请见维基百科
https://zh.wikipedia.org/wiki/X-2%E8%A9%A6%E9%A9%97%E6%A9%9F
