本文最初发布于 The Conversation。
2022 年 12 月，在墨西哥下加利福尼亚州海岸外，阳光洒在波光粼粼的海面上，海浪拍打着“波特兰”号海军舰船。甲板上的海军官员仰望天空，搜寻信号。一道光芒突然出现。
起初只是一个小点，然后逐渐变成一个圆形，以极高的速度从太空边缘坠落。那是 NASA 的 “猎户座”号（Orion）飞船，它将通过一次 壮观的溅落，结束为期 25 天的围绕并超越月球的 “阿尔忒弥斯 1 号”（Artemis I）任务。
“猎户座”号的重返大气层采用了急剧倾斜的轨迹，在此过程中，飞船以惊人的速度下降，然后展开了三个红色和白色的降落伞。当任务完成了超过 27 万英里（43.5 万公里）的旅程时，对于“波特兰”号上的船员来说，飞船似乎完好无损地回到了家。
当回收船员将“猎户座”号吊到航母甲板上时，冲击波在飞船表面扩散开来。这时，船员们开始注意到“猎户座”号下表面有大面积的裂缝，那是飞船外壳连接隔热罩的地方。
但是，一个能承受约 5000 华氏度（2760 摄氏度）高温的隔热罩，怎么会承受不住损伤呢？这似乎很自然，对吧？
这次“阿尔忒弥斯 1 号”任务是无人任务。但 NASA 的最终目标是在 2026 年将宇航员送往月球。因此，NASA 需要确保飞船的任何损坏——即使是隔热罩本身，它就是用来承受一定损伤的——都不会危及未来宇航员的生命。
2022 年 12 月 11 日，“阿尔忒弥斯 1 号”重返大气层时，这个隔热罩遭受了严重损坏，这推迟了接下来的两次“阿尔忒弥斯”任务。尽管工程师们现在正在努力防止同样的问题再次发生，但新的发射日期目标是 2026 年 4 月，时间越来越近了。
作为一名 航空航天技术学教授，我喜欢研究物体与大气的相互作用。“阿尔忒弥斯 1 号”任务提供了一个特别有趣的案例——并且有力地证明了功能正常的隔热罩对于太空探索任务至关重要。
承受高温
为了理解“猎户座”号到底发生了什么，让我们倒回故事。“飞船”重返地球大气层时，它开始 掠过高层大气，这就像一个蹦床，吸收了即将到来的航天器部分动能。这一机动经过精心设计，目的是逐渐降低“猎户座”号的速度，并减轻隔热罩内层承受的热应力。
第一次俯冲后，“猎户座”号在一次计算好的机动中反弹回太空，损失了一些能量，然后再次俯冲。第二次俯冲将使其在接近海洋时进入更低层、更密的大气中，从而进一步降低其速度。
在下降过程中，空气粒子对抗飞船产生的阻力帮助将其速度从约每小时 27,000 英里（每小时 43,000 公里）降低到约每小时 20 英里（32 公里）。但这种减速是有代价的——空气的摩擦力非常大，以至于面向气流的飞船底部表面温度达到了 5000 华氏度（2760 摄氏度）。
在这种灼热的温度下，空气分子开始分裂，形成一种称为等离子体的 带电粒子混合物。这种等离子体辐射能量，你可以看到周围的空气呈红色和黄色火焰状，围绕着飞行器向前，向后延伸，呈蜡烛状。
地球上没有任何材料能在这种地狱般的环境中幸免于严重损坏。因此，这些飞船背后的工程师设计了一层隔热材料，它会通过熔化和蒸发而被牺牲，从而保护最终将容纳宇航员的舱室。
隔热罩通过保护未来可能身处飞船内的任何人，使其成为一个关键部件。
它以一种外壳的形式，包裹着航天器的宽大末端，面向来流——这是飞行器最热的部分。它由一种旨在蒸发并吸收空气与飞行器摩擦产生的能量的材料制成。
“猎户座”号的案例
那么，在 2022 年下降过程中，“猎户座”号的隔热罩到底发生了什么？
在“猎户座”号的案例中，隔热罩材料是一种由 酚醛树脂（Novolac） 组成的复合材料——它是一种与某些枪支由其制成的电木（Bakelite）相似的材料——它被吸收到玻璃纤维线的蜂窝结构中。
当表面暴露在高温和气流下时，树脂会熔化并后退，露出玻璃纤维。玻璃纤维与周围的热空气反应，产生一种称为炭（char）的黑色结构。然后，这种炭充当了第二层隔热屏障。
NASA 在“猎户座”号上使用了与阿波罗飞船相同的隔热罩设计。但在阿波罗任务期间，炭结构并没有像在“猎户座”号上那样破裂。
经过近两年对炭化材料样本的分析，NASA 得出的结论是，“猎户座”号项目团队高估了飞船重返大气层时掠过大气层时的热流。
当“猎户座”号接近大气层高层时，隔热罩开始熔化并 产生气体，这些气体可能通过材料的孔隙逸出。然后，当飞船再次爬升时，树脂的外层会冻结，将第一次俯冲的热量困在里面。这些热量使树脂汽化。
当飞船第二次冲入大气层时，气体在再次受热找到出口之前膨胀——这有点像 结冰的湖泊从底部开始融化 ——它的逸出 导致飞船表面出现裂缝，炭结构因此受损。这些就是回收船员在飞船溅落后看到的裂缝。
在 2024 年 12 月 5 日的新闻发布会上，NASA 官员宣布，“阿尔忒弥斯 2 号”任务将采用修改后的重返大气层轨迹设计，以防止热量积聚。
对于计划于 2027 年发射的“阿尔忒弥斯 3 号”任务，NASA 打算采用新的隔热罩制造方法，使其更具渗透性。飞船外部在重返大气层时仍然会非常热，隔热罩仍然会蒸发。但这些新方法将有助于在整个溅落过程中，让宇航员在飞船内保持舒适。
张崇林（Chonglin Zhang），北达科他大学机械工程学助理教授，协助研究了本文。
