文/田豐

▲ 航天飛機的隔熱瓦

在9月28日的發(fā)布會上，太空探索技術(shù)公司研發(fā)中的完全可重復(fù)使用運載火箭正式更名為“星艦（Starship）”。相對于回收復(fù)用已日漸成熟的獵鷹系列運載火箭，“星艦”與之最大的區(qū)別在于火箭二級——也就是被稱之為“星艦飛船”的部分在入軌并釋放有效載荷后將再入大氣層并垂直著陸地面，再入時“星艦飛船”要以高達25馬赫的高速鉆入大氣層。復(fù)用可入軌部分的思路和已經(jīng)退役8年的航天飛機軌道器如出一轍，但航天飛機的熱防護系統(tǒng)設(shè)計向來備受爭議，尤其是哥倫比亞號航天飛機再入解體事故后，其安全性低、可維護性差、成本高昂的問題屢遭詬病。所以“星艦”從構(gòu)想至今，人們都在好奇太空探索技術(shù)公司如何能夠避免陷入航天飛機的“困境”，打造一套高可靠、低成本、可復(fù)用的熱防護系統(tǒng)。自2016年至今，太空探索技術(shù)公司在“星艦”的防熱設(shè)計上進行了一系列曲折而反復(fù)的探索，嘗試和考慮過多種熱防護方式，雖然距離真正的軌道試飛依舊遙遠，但他們迭代和改進的過程卻是一個不得不說的故事。

曾經(jīng)的發(fā)汗冷卻思路

說起對航天器再入熱防護的經(jīng)驗，太空探索技術(shù)公司可謂是名副其實的“老司機”。公司旗下“龍”貨運飛船自2012年首飛成功至今，已成功執(zhí)行了18次任務(wù)，熱防護系統(tǒng)工作堪稱完美，尤其是飛船配備的PICA-X防熱大底，對飛船返回艙提供了良好的保護。這種材料未來還將逐步改進并工作在太空探索技術(shù)公司的第二代“龍”飛船上，執(zhí)行載人或貨運任務(wù)。那么這種材料能否繼續(xù)應(yīng)用在“星艦”上，完成低成本全復(fù)用的目標呢？回答這個問題就要從PICA材料本身說起。

▲ 返回后的龍飛船大底，紅圈中為spacex公司制備的TOFOC隔熱瓦，其余為PICA-X

▲ 航天飛機再入溫度分布圖，亮黃色是溫度最高的區(qū)域

PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) 意為“酚醛浸漬碳燒蝕材料”，是一種通過燒蝕來實現(xiàn)熱防護的材料，燒蝕防熱是指在熱流環(huán)境中，防熱材料能夠發(fā)生分解、熔化、升華等多種吸收熱能的物理化學變化，通過材料自身的質(zhì)量損失消耗帶走大量熱量。主要成分包括酚醛和碳材兩部分。“星塵號”返回艙是截至目前人類再入速度最快的航天器，135公里高度再入速度高達12.4 公里/秒，在110秒的時間內(nèi)返回艙速度從36馬赫降至亞聲速，返回的過程中艙體表面的最高溫度超過 2900℃。但所謂成也燒蝕，敗也燒蝕，這種材料的實質(zhì)就是“犧牲我自己，保護航天器”，可惜這種思路并不能滿足太空探索技術(shù)公司完全可重復(fù)使用的“星艦飛船”的要求。因為每次返回后PICA-X的燒蝕層都會發(fā)生不均勻的減薄，燒蝕分解物會粘滿整個航天器返回艙外壁，額外增加復(fù)用成本和翻修工作量，無法達到快速低成本復(fù)用的目的。所以太空探索技術(shù)公司必須找到一種新的非燒蝕防熱方式以解決這個問題，這時候一種“古老”而“新潮”的思路進入了太空探索技術(shù)公司視線——發(fā)汗冷卻（Transpiration Cooling）。

顧名思義，發(fā)汗冷卻的原理和人類出汗類似，是指冷卻劑（“星艦”是推進劑中的液態(tài)甲烷）順著熱防護系統(tǒng)表面的大量細密板孔滲出，甲烷滲出后迅速吸熱升溫蒸發(fā)，帶走大量熱量，同時形成冷卻層和邊界層以進一步隔絕熱量，同時層間流動還將降低表面阻力。2019年初，太空探索技術(shù)公司宣稱將利用“星艦”的著陸推進劑，在迎風面設(shè)置大量發(fā)汗孔和管路，甲烷在迎風面后的管路內(nèi)循環(huán)，一部分經(jīng)發(fā)汗孔擠出冷卻，另一部分跟貯箱壁對流加熱。這項技術(shù)看起來“高大上”，其實一點兒也不新鮮，在液體火箭發(fā)動機的推力室上冷卻設(shè)計上，發(fā)汗冷卻的應(yīng)用十分普遍了，只不過從未在航天器再入熱防護設(shè)計上應(yīng)用過。

除此之外，太空探索技術(shù)公司也沒放棄傳統(tǒng)的隔熱設(shè)計，公司與美國宇航局的埃姆斯研究中心簽訂了技術(shù)支持合同，獲得了名為“整體增韌抗氧化復(fù)合結(jié)構(gòu)”（英文縮寫TOFROC）的先進非燒蝕隔熱材料的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。說起TOFROC，這種材料并不是“實驗室里的花朵”，而是一種“久經(jīng)考驗”的熱防護材料，曾用于波音承制的X-37B上，未來還將用于“追夢者”小型航天飛機上。

至此，業(yè)界普遍猜測太空探索技術(shù)公司的熱防護系統(tǒng)方案是在“星艦”的頭錐、翼面前緣等熱流峰值最高或不便于布置發(fā)汗結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域使用TOFROC隔熱瓦，而在迎風面大部使用發(fā)汗冷卻，背風面利用301不銹鋼本身的特性，不額外貼敷熱防護材料，從而最大限度減少熱防護系統(tǒng)的重量，降低星艦干重，挖掘運力潛力。

航天飛機復(fù)活了？

俗話說“計劃沒有變化快”，在發(fā)布會上太空探索技術(shù)公司宣稱發(fā)汗冷卻已經(jīng)被當前版本的“星艦”廢棄，隔熱瓦將徹底覆蓋星艦飛船迎風面。如此一來，當前的“星艦”設(shè)計與曾經(jīng)“成也隔熱瓦，敗也隔熱瓦”的航天飛機如出一轍。航天飛機的熱防護系統(tǒng)設(shè)計相當復(fù)雜，單獨成書都不為過。為應(yīng)對再入熱，航天飛機選用了多種防熱材料，整個軌道器被多達2萬多塊形狀各異的隔熱瓦所覆蓋，但限于當時的防熱技術(shù)限制，航天飛機熱防護系統(tǒng)的可維護性堪稱一場災(zāi)難。

為了不重蹈航天飛機的覆轍，太空探索技術(shù)公司針對“星艦”將大面積使用的TOFRUC隔熱瓦做了大量試驗，為了驗證這種隔熱瓦的貼敷性能，公司首先在名為“星跳者”的懸停試驗機貯箱外表面和著陸支腿內(nèi)側(cè)安裝了測試用的隔熱瓦。不要小看這些“貼瓷磚”的試驗，由于貼敷技術(shù)和粘接劑不成熟，航天飛機在研發(fā)初期就曾被隔熱瓦大面積脫落的問題長期困擾。

▲X-37B前端的防熱瓦

▲屹立于得州博卡奇卡的星艦MK1

▲ 復(fù)檢航天飛機隔熱瓦

▲如你所見，脫落、受損，受潮、變形

另外，TOFROC 作為一種先進的陶瓷基隔熱瓦，解決了早期航天飛機使用的RCC材料在耐溫能力、強韌化性能和制備尺寸等方面的缺陷，基本突破了航天飛機的薄弱環(huán)節(jié)。TOFROC具有三個重要特點：一是能承受1700℃高溫，高于航天飛機采用的增強碳-碳防熱材料的耐受溫度，而且可以重復(fù)使用；二是密度低、質(zhì)量輕，航天飛機機翼前緣采用的增強碳-碳防熱系統(tǒng)的密度約為1.6克/厘米3，而TOFROC防隔熱系統(tǒng)的密度僅為0.4克/厘米3，后者的材料密度僅為前者的1/4；三是制造周期短、成本低，TOFROC防隔熱系統(tǒng)制造周期是航天飛機防熱系統(tǒng)的1/6到1/3，成本為1/10。作為第四代可重復(fù)使用防隔熱材料，TOFROC克服了航天飛機隔熱瓦的脆性問題，在抗氧化和抗熱沖擊性能提升方面進行了很大的改進，是新一代航天飛行器“非燒蝕型”輕質(zhì)高強韌性熱防護材料的代表。

“似曾相識”的再入方案

當前版本的“星艦”不僅熱防護系統(tǒng)神似航天飛機，再入方式也與之如出一轍。以航天器再入階段表面熱流隨溫度的變化關(guān)系為例，類似“神舟”和“聯(lián)盟”這種飛船再入時，飛船表面熱流在很短的時間內(nèi)就能達到最大值；而在航天飛機的情況下，雖然較長時間內(nèi)迎風面仍保持著很高的熱流密度，但是最高值相對于飛船彈道或半彈道再入要低得多，這就大幅降低了對熱防護材料的性能需求。不僅如此，航天飛機的再入過載遠低于載人飛船，如果“星艦”未來真的有大規(guī)模載人的可能，這種再入方式的確必不可少。此外，太空探索技術(shù)公司稱“星艦”為了繼續(xù)降低再入難度，還引入了航天飛機的蛇形機動，也就是再入階段走的是Z字形軌跡，飛控會控制姿態(tài)，讓兩側(cè)翼面以一定規(guī)律交替受熱，從而降低熱流峰值。

但“星艦”的再入設(shè)計也并非全盤借鑒航天飛機，而是依托太空探索技術(shù)公司成熟的反推著陸技術(shù)，做了改進。航天飛機的方案是水平無動力滑翔著陸，也就是說航天飛機一旦脫離地球軌道進入大氣層，就是一錘子買賣，必須在指定點一次降落成功。這要求航天飛機具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距離，在滑翔中具有良好的操控，尤其要有良好的著陸操控性能，這需要采用具有較高升阻比的氣動翼面設(shè)計。但是反過來，航天飛機在返回大氣層之初，速度可以高達24馬赫，這樣的高超音速又要求采用阻力最小的升力體結(jié)構(gòu)。所以兩種設(shè)計約束折中后的結(jié)果就是航天飛機返回時必須沿一條精細計算過的在瞬時氣動加熱和累計氣動加熱之間最小化的路徑下滑，以最大限度地降低熱負荷，使用要求非常高，適用范圍較窄。

▲驗證新型隔熱瓦和不銹鋼的貼敷工藝

太空探索技術(shù)公司的“星艦”由于采用垂直反推著陸，而非滑翔水平著陸，其軌道設(shè)計的裕度和空間瞬間就不再受到滑翔能力的制約，可以引入更多的著陸方案和軌道設(shè)計來降低再入熱流峰值，比如說——跳躍式彈道。跳躍式彈道的好處是，每一次擦過大氣層邊緣的時候，氣動加熱的時間較短，彈回寒冷的近地空間期間正好借機將熱量耗散掉，這樣一涼一熱，直到動能被耗散到一定程度后，不再跳躍，直接進入大氣，這對進一步降低熱防護系統(tǒng)性能需求和重量，提高復(fù)用性都有一定好處。

說了這么多作為火箭二級的星艦飛船，似乎忽略了被稱之為“超重型火箭”的一級。雖然同為“星艦”一部分，但兩者的回收熱環(huán)境迥然相異。由于“星艦”入軌，返回地球時要以25馬赫左右的高速鉆入大氣層，而在更遠的火星及月球任務(wù)中，甚至要以30馬赫以上的高速再入大氣層。超重型火箭則一直工作在大氣層內(nèi)，按照獵鷹9火箭一級的經(jīng)驗，最高速度也不過10馬赫。而且更有趣的是，由于采用了301不銹鋼貯箱，有效控制分離速度后，超重型火箭的熱防護系統(tǒng)設(shè)計大幅簡化。箭體再入的峰值熱流直接就被包絡(luò)在不銹鋼的工作溫度范圍內(nèi)，不再需要“獵鷹9”的Block5構(gòu)型鋁鋰合金上所使用的熱防護涂層。

縱觀太空探索技術(shù)公司在“星艦”熱防護系統(tǒng)上的迭代設(shè)計過程，既沒有想象中的“黑科技”，也沒有難以理解的“反常識”，一切都不過是成熟方案與已有技術(shù)的重新組合。在這個過程中，太空探索技術(shù)公司有所為有所不為，既有砍掉“獵鷹5”和“紅龍飛船”時的壯士斷腕，又有翼傘回收和換用不銹鋼時的大膽借鑒。我們并不知道太空探索技術(shù)公司為什么放棄了發(fā)汗冷卻，但是一定有它的理由?；蛟S未來TOFROC也會被證明不適用于“星艦”，但航天技術(shù)的發(fā)展就是嘗試和改進間不斷反復(fù)，太空探索技術(shù)公司終將找到一條適合“星艦”的再入方案。

▲“星艦”飛行概念圖