炉膛里是1000多摄氏度,一块隔热材料在里面烧了个透。拿出来,没变形,没开裂。中国工程院院士赫晓东直接伸手,把它拿了起来。
这是今年7月12日央视财经镜头里的一幕。按常理,刚出炉的东西碰一下就得烫出泡。可这块被称作“隔热盾”的材料,边角已经发黑,却能直接拿在手里。就在两天前,长征十号乙刚把自己的一子级从天上“网”回了海上。
这类曾被视作核心机密的回收火箭防热材料,这次是官方主动拿到镜头前的。它和一次性防热材料到底有何不同?凭什么说,火箭回收难就难在它身上?
网住一子级之后,考题才刚开始
7月10日12时15分,长征十号乙从海南商业航天发射场起飞。一二级分离后大约6分钟,一子级开始返回,最后飞进海上回收平台的网系里,被一把兜住。
这是我国第一次实现运载火箭一子级可控回收,也是全球第一次在海上用网系把火箭接回来。
很多人看到这一幕,会觉得接住就算大功告成。可对造火箭的人来说,接住只是及格线。
花这么大力气把一截箭体接回来,图的是下一次还能再飞。北京日报算过一笔账:猎鹰9号把火箭送上近地轨道,每公斤约1.8万元。我国一次性商业火箭每公斤约5万-15万元。
差出来的这部分成本,很大一部分就差在“火箭能不能反复用”上。
一枚火箭飞一次就报废,每次发射都得从头造一枚新的,成本当然下不来。那么问题来了:想让火箭飞第二次,它回来的时候,身上哪一处最容易出事?一子级的返回分四步:滑行调姿、动力减速、气动减速、着陆。
最凶险的是气动减速这一段。
箭体高速冲回稠密大气,底部承受严苛的气动加热,温度急剧往上蹿。研制团队给箭体配上了耐高温防热材料,这一段也就成了防热设计的关键考场。
首飞的结果交出了答案:防热方案有效。但“这一趟扛住了”,离“能再飞”还差一大截。
赫晓东在采访里把这层窗户纸捅破了:“要求不能够烧坏,它回来以后又要重复飞,重复使用的难度远远超过一次性材料!”翻成大白话就是:一次性火箭的防热层,只要撑过这一趟,烧焦了、烧坏了都无所谓,反正整截箭体都不要了。
回收火箭的防热层,这一趟撑过去只是开个头,下一趟、再下一趟,它还得原样上岗。回收这件事能不能真正算成功,最后要看这层“盾”经不经得起一回回地烧。
烧了个透,手上为什么不烫
先交代一句:央视镜头里那块材料,是实验室里的样品,并不是从刚回收的火箭上拆下来的。它要证明的,是这类材料本身的脾气。1000多摄氏度烧透的东西,按说里里外外都该是烫的。
赫晓东给的解释很朴素:“拿出来时,里面的热量不能持续传出来,而边角已经发黑了,就说明它的热量散了,所以这个材料,隔热性能非常好。”这句话里藏着两件事。
第一件,材料里面确实还烫,但热量被关在里头,走不出来。第二件,表面那一层的热量很快就散掉了,发黑的边角就是它散过热的痕迹。
手碰到的,是一层已经凉下来的外皮,里面那团热,根本递不到手上。热量为什么走不出来?
据媒体根据团队公开研发方向报道,这块材料属于陶瓷纳米纤维气凝胶体系。它内部的孔隙多到超乎想象,绝大部分空间装的是静止不动的空气。空气本来就是热的不良导体,不流动的空气更甚。
羽绒服能保暖,靠的也是锁住一层不流动的空气。热量想从里往外钻,就得穿过一层又一层的小气孔,每一步都走得极慢。等它好不容易挪到表面,早就被散掉了。
听起来有点反直觉:一块几乎全是空气的东西,偏偏最扛烧。这条路,哈工大已经走了很多年。
2019年,哈工大团队联合中外机构在《科学》杂志发表了一种超轻陶瓷气凝胶,体积99%以上是空气,在1400摄氏度下放一整周,强度损失不到1%。
为了做出它,团队前后做了近千次实验。材料轻到商用设备连导热系数都测不了,只好自己搭一套测量装置。
据媒体根据团队公开研发方向报道,赫晓东演示的这块隔热材料属于哈工大这一陶瓷气凝胶技术体系。不过,能隔热只算过了第一关。陶瓷有个老毛病:脆。温度剧烈一变,就容易开裂、崩塌。
火箭每回收一次,防热层都要经历一次从上千度的烧灼回落到常温的折腾。光扛得住一次高温,还够不上“回收材料”这个名分。
年底那一飞,考的就是它
一次性防热材料和它的差别,归根到底就在“次数”两个字上。一次性的,烧一回就报废,设计的时候就没打算让它活到第二次。它可以被烧蚀、可以变形,只要在这一趟里护住箭体就行。
可重复使用的,每一趟回来都要完好如初:不能变形,不能开裂,隔热性能也不能一次比一次差。哈工大2022年在《自然》杂志发表的一项陶瓷气凝胶成果,把这件事推到了很远的地方:经受剧烈冷热冲击,来回1万次,强度损失近乎为零。
一边是“烧一次就扔”,一边是“冷热折腾一万次还不走样”,两者放在一起,差别一目了然。这道坎到底有多难,看看跑在最前面的人就知道了。
SpaceX的星舰,第三次、第四次试飞都出现了隔热瓦脱落,第四次还把前阻力舵烧穿了一部分。2025年8月的第十次试飞,SpaceX干脆主动拆掉部分区域的隔热瓦,测试缺了瓦还能不能扛住。
同一次飞行里,三块实验性金属隔热瓦严重氧化,高温气体从瓦片缝隙渗进去,烧蚀了下层的热障材料。
SpaceX高管格斯滕迈尔事后总结:“这告诉我们,必须密封瓦片。”马斯克本人在2024年5月就说过,可重复使用的轨道返回隔热罩,是实现火箭100%重复使用的“最后一道关键难题”。
一支把回收玩得最熟练的团队,到今天还在一块瓦一块瓦地试。这层“盾”之所以曾被当成核心机密,分量就在这里。
也正因为这样,赫晓东在镜头前那句话才有底气:“中国在隔热材料方面已经是世界前列,达到世界第一梯队。”首飞一子级扛住了气动减速段的高温,实验室里的样品烧透了还能拿在手上,两件事前后相隔不过两天,一件在天上验证,一件在镜头前摆明。
接下来的考题已经排好了。这枚回收的一子级要经过检查、检修、维护,再做测试,计划在2026年底前完成复用飞行。头几次复用,检修难免费时费钱,价格要靠一趟趟飞出来才能慢慢压低。
但只要那层防热材料第二次上天还能原样回来,“可回收”三个字才算真正落了地。回到7月那块边角发黑的样品。
1000多摄氏度烧透,徒手就能拿起,它和一次性防热材料的不同,说穿了就一句话:别人烧一回就报废,它要烧很多回还不走样。到年底,当那枚一子级再次竖上发射台,它身上的“隔热盾”就要迎来第二趟真正的考试。
参考资料:
新华鲜报丨长征十号乙首飞成功 我国运载火箭首次实现可控回收.新华社
长征十号乙火箭首飞成功,回收成功!.科技日报
1000℃还能徒手拿!中国这块"隔热盾"跻身世界第一梯队.中国网(转载央视)
新型超轻陶瓷材料可用于未来航天器隔热.新华社
哈工大研发新型陶瓷气凝胶 未来有望用于航天器隔热保护.澎湃新闻
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