飞船如何在高温中保命

宇宙飞船进出地球大气层是非常危险的，高速运动的飞船会与空气剧烈摩擦，产生的热量会让普通的隔热材料灰飞烟灭。那么——

热浪

几千度，看你飞船怎么度！

地球大气层忠实地履行着保护地球的责任，通过摩擦作用，试图把任何侵入的星体烧成灰烬。但忠实的大气层也同时带给我们巨大的麻烦，我们需要想尽办法避免进出大气层的飞船被大气摩擦热烧毁。

据计算，高速返航的飞船与大气摩擦产生的热量，如果没有别的因素影响，足以把空气加热到2.7万摄氏度！如果飞船处于这种高温下，早就分解得无影无踪了。幸而，空气在几千摄氏度的温度下，就会分解成原子或离子，发生的一连串的化学反应会吸走80%以上的热量，从而能够使本来会被加热到2万多摄氏度的空气，最后只是达到几千摄氏度的温度。但这个温度也与太阳表面的温度差不多，飞船照样受不了。幸好，高温只是集中在飞船的前端——与大气摩擦最剧烈的部位，而且飞船在大气层中飞行的时间也就是15分钟左右。只要想办法在15分钟的时间里把飞船的前端保护好就行了。

那么宇航专家想到了什么办法来保护宇宙飞船呢？

金蝉

脱壳第一计

宇航专家使用的最普遍的方法竟然是受陨石的启发而发明出来的。落到地面上的陨石同样经历过大气层的残酷摩擦和炙烤，为什么会幸存下来？而且很多陨石中含有的几百摄氏度下就会分解的物质也保存得完好。难道陨石自己有特殊的保护措施？

其实陨石并没有什么特殊的，它在穿越大气层时，也是会因高温而表面熔解、挥发、甚至燃烧起来，并发生许多化学反应而分解。只是陨石的“策略”就是以牺牲外层物质为代价的，外层的分解会吸走大量的热量，而且分解产生的气体会形成保护层，保护幸存的陨石体免受高温空气的炙烤。这样，真正传入陨石内部的热量很少，因此陨石以及陨石内部的脆弱物质才能够幸存下来。

看来物质的分解会吸收大量的热量，这是一个好办法，我们也可以在飞船的前端包上一层可以在高温下分解并吸收大量热量的物质，这样，外界物质的分解不就保护了内部的飞船吗？

经过试验，科学家发现，用添加了玻璃纤维的塑料作为分解吸热材料最合适。这种塑料有足够的韧性和强度，包在飞船外面不会被气流冲击带走。随着温度的急剧上升，塑料在200多摄氏度就会因受热而分解，放出氢气、一氧化碳和碳氢化合物。若温度继续升高，玻璃纤维也会熔解蒸发，并与碳反应生成气态的碳化硅；分解出的气体也会继续分解成更小分子的气体而继续吸收大量的热量。这些气体在离开材料表面时又会带走大量的热量。逸散到高温空气中的气体还会以继续分解成原子而吸收大量的热量。

不仅如此，材料剥脱分解出的气体，本身就具有与飞船同样的速度，不会对飞船有什么摩擦，因此这些气体会在飞船周围形成空气层，阻碍大气层对飞船的直接摩擦，也阻碍了周围的高温空气接近飞船。

总之，这种材料剥脱的热保护方式不仅能吸走大量的热量，还会减少大气层对飞船的摩擦，因此能够很有效地保护飞船“渡过难关”，从而成为宇航专家首选的热保护方式。

李代

桃僵第二计

在材料剥脱法的基础上，科学家又发展出了一种更有效的保护飞船的方式：利用液体的挥发和分解来吸热，保护飞船。

比如，给飞船包上一层有毛细孔的耐高温金属板（例如有孔的钨）。金属板内部储放着冷却剂，冷却剂可以通过毛细孔，渗透、穿过金属板而接触周围的热空气。冷却剂吸热蒸发，变成气体，包围在飞船周围，形成保护飞船的保护层。气体的进一步分解又会吸收热量，从而让热空气远离飞船。这等于是飞船付出了冷却剂，冷却剂与热空气接触后，变成了飞船的“保护罩”。

这种方式吸收热量更快，不但能够非常有效地保护飞船，而且还不会有固体材料剥脱时，造成飞船左右质量不对称，引起飞船轨道偏离的情况发生。而且细孔金属板可以重复利用，只要重新充入冷却剂就可以了。而消耗的冷却剂既不贵，也不需要费力制备。如果飞船速度不是很快，可以用水作为冷却剂，如果需要快速降温，可以用液氦作为冷却剂。

因此，这种方式被认为是最简省、最合理又非常有效的热保护方法。

调虎

离山第三计

上述两种方法都需要不断补充热保护物质，有没有一劳永逸，又很有效的热保护方法呢？有一种巧妙的看似异常简单的管子就可以承担起这个重任。这种管子叫“热管”。

不过，在把传热的重任交给热管之前，还需要给飞船包上一层具有强热辐射能力的材料（例如钨），薄薄的一层就可以把大部分的热量反射回去。但少部分热量还是会透过，进入内部。但就这少量的热量也足以让飞船的前端达到上千摄氏度。

之后，就需要热管及时把这部分热量排走了。紧贴辐射外壳，布上传热异常快速的热管，热管延伸到内部的冷却装置，或延伸到飞船的尾端，就可以及时把热量排走。可是热管到底是怎样的管子，为什么能够快速把热量“运走”？

热管的结构很简单，一根细长的、两头封闭、中空的金属管，管壁上附着一层细密的毛细物质，毛细物质用液体浸湿，所用的液体是液态钠之类的沸点较高的液体。这就是热管了，让热管的一端处于飞船前端、一端处于飞船的尾端。

位于飞船前端部位的热管那一端吸热，液态钠蒸发气化，通过中空管流动到另一端，在另一端，气体钠冷凝下来，重新变回液态，同时把热量释放出来，排到飞船尾端温度较低的湍动的空气中或内部的冷却物质中。之后，液体钠又通过毛细物质的毛细作用重新被吸回较热的那一端。这个过程传递的热量非常巨大，一根热管传递的热量可以达到相同大小的普通金属棒的几千倍。因此可以及时把热量从飞船的前端“运”走。

平时有液体存在的传热对流等方式会受到重力的影响，巧妙的是，热管利用的是毛细物质的毛细作用，在没有重力的太空中，热管的能力一点不受影响。

更值得炫耀的是，热管外观上只是个封闭的管子，没有液体暴露在外面，也没有任何活动的零件，更没有什么噪音，非常简单。只需要把几根管子固定下来，连接飞船的前端和内部的冷却装置，就ok了。它们就会老老实实地把热量快速“运”走了。

这种安装了热辐射表面和热管的飞船就可以一劳永逸地、一次又一次地穿梭于大气层，不需要考虑飞船会被高温烧坏了。

超级连接

超级有用的热管

热管除了用于太空飞船上，还有很多其它传热方式无法做到的优势。

热管内所用的液体可以随意更换，因此可以用于任何温度范围的热量传递，例如，如果把内部的液体换成液态氮，就可以让热管在低温下的环境中高效地传递热量。

热管的高效传热让电厂最看重，如果把热管的低温端与蒸汽发电装置相连，就可以高效地把原子能、地热或者其它高温能量高效地传递给发电机发电。

热管因为内部工作液体的不同，适用于不同的温度范围，这种性质可以让热管变成热开关，达到一定温度时，热管的传热能力就打开了，超过一定温度，它又关上了。

如果热管两端的毛细物质细密程度不同，热管还会变成热二极管，只允许热量向一个方向传递。例如毛细物质细密的一端若位于高温端，热量就会快速传递到毛细物质不够细密的另一端，但是，热量却无法从毛细物质不够细密的一端向细密的一端传递，因为这里牵扯到蒸气冷凝下来的液体因毛细作用的大小，能不能循环流动的问题。

由于热管是利用液体的蒸发和蒸气冷凝在传热，而液体在蒸发或蒸气在冷凝过程中，其温度都是保持在沸点温度上，例如水的蒸发或水蒸气冷凝都是在100℃下。因此，虽然外界的加热源与冷却源的温度差异可能很大，热管的热端和冷端温度差异却很小，而且热管温度几乎是恒定的，不会随外界的温度变化而变化。这种性质可以让热管成为制造恒温材料的原料，例如宇航服就可以用热管来制造。

由此可见，热管的用途太多了，它已经在各行各业的传热领域独挡一面了。

本文源自大科技〈科学之谜〉 杂志文章 欢迎您关注大科技公众号：hdkj1997