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宇宙飞船和航天飞机的“避火衣”
作者：韩吉辰
（奇 奇）
“祝全国人民新年快乐！”2003年元旦0时09分，从太空传来中国“神舟”四号宇宙飞船的新年祝福声，飞船在完成预定考察任务以后，安全返回了地面。在2003年10月15日9时整，我国自行研制的“神舟”五号载人飞船，在酒泉卫星发射中心顺利发射成功，中国航天英雄杨利伟飞入太空，在茫茫太空遨游21小时，围绕地球飞翔14圈后，“神舟”五号载人飞船于16日清晨6时23分在内蒙古安全着陆，完成了中华民族千年飞天梦！而在2003年2月1日，却发生了轰动全球的航天悲剧：美国“哥伦比亚”号航天飞机在返回地球时爆炸失事，7名宇航员全部遇难。
“下凡”经受火的洗礼
宇宙飞船和航天飞机从天外“下凡”返回地球，那可是一个非常复杂的难题啊！它们的速度要由第一宇宙速度（7.9公里/秒）进入大气层，利用缓冲火箭和四面巨大的降落伞（最大的主伞面积有1200平方米），使速度逐渐降低。宇宙飞船最后是以3.5米/ 秒左右的速度软着陆。而航天飞机降落到地面时的速度要大得多，因此它需要一条高质量的特殊跑道，在离地面150米时起落架放下，航天飞机最后是以90米 /秒左右的速度冲上跑道，滑行约1500米后停下。
在浓密的大气层中，速度极快的宇宙飞船和航天飞机，它们的外壁由于与空气剧烈摩擦，要产生极其大量的热，这就是所谓的“气动加热”。在距离地面60公里左右稠密大气层区域温度变得最高，在机头温度可以达到1000甚至3000摄氏度，整个机身变成一个炽热耀眼的火球（就像我们经常看到的火流星那样）。进入距离地面80至40公里区域时，由于周围空气在高温下电离，宇航员连与地面的无线电通讯都会暂时中断，雷达也无法发现它的踪迹，这段区域也因此被称为“黑障区”……那真是一个惊心动魄的场面啊！这可真叫人担心！宇宙飞船的“返回舱”中有宇航员和珍贵仪器资料，而价值连城的航天飞机不但要反复使用，更搭载着多名宇航员。必须保证宇宙飞船和航天飞机安全“下凡”，经过烈火高温的洗礼，通过大气层顺利返回地面。这就必须研究制造一件宇航器的“避火衣”！目前世界上只有两种方法：一种是“烧蚀法”，另一种是“覆盖法”。
宇宙飞船的“避火衣”
由于宇宙飞船只使用一次，科学家为宇宙飞船精心设计了一件奇妙的“避火衣”，它是用“瞬时耐高温材料”制成的，这是一种特殊纤维材料或多孔颗粒加上有机物组成的，是一种低导热复合材料，这一层材料的厚度是经过精心计算设计的，在宇宙飞船不同部位的厚度是不同的。
当宇宙飞船“返回舱”由太空“下凡”返回地球通过大气层时，与空气剧烈摩擦将产生大量的热，这件“避火衣”遇到高温时它就会“引火烧身”，自己先燃烧起来，其中大量的有机物会发生化学分解和气化，带走极其大量的热量。更奇妙的是：“避火衣”在燃烧自己的同时，还形成了一层厚厚的多孔炭化层，紧紧地附着在“返回舱”的外壁，这一层炭化层具有极好的隔热效能，在它严密的包裹下，能有效地防止外界热量传入舱内。这样，宇宙飞船的“避火衣”设计十分巧妙，结构相对比较简单，重量就比较轻，成本自然也就比较低。但是由于它的双重奇妙功能，使“返回舱”中的温度可以保持正常，一般在35℃以下，宇航员十分安全。我国“神舟”号宇宙飞船返回舱，外形为钟形，外部是用耐高温的复合材料制成。返回舱高2.5米，直径也为2.5米，重量约3吨，可以载3名宇航员。返回舱是宇航员的座舱和宇宙飞船的指挥中心，位于飞船的中部，为密闭结构，其上端有舱门，供宇航员进出轨道舱使用，返回舱是宇宙飞船中唯一再入大气层返回地面的着陆舱段。这种自我牺牲的一次性“避火衣”使得宇宙飞船顺利“下凡”返回地面，为宇航事业做出了卓越贡献！
航天飞机的超级“避火衣”
宇宙飞船只使用一次，而航天飞机要在地球和太空往返75～100次，因此这种一次性“避火衣”就不适用了。科学家必须找到一种耐高温又不会被烧坏的“避火衣”！经过艰苦的努力，航天飞机的超级“避火衣”研制成功了，是什么材料呢？原来竟然是陶瓷，当然与古老的陶瓷大不相同了，它是新型复合高温陶瓷。这种“复合高温陶瓷瓦片”主要由两部分构成，外层包覆的是高辐射陶瓷材料，内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维。
航天飞机的外型很像一架三角翼飞机，形状比起宇宙飞船“返回舱”要复杂多了。要想为它穿上严严密密的陶瓷“外衣”十分困难。科学家精心设计了31000块陶瓷瓦片，每块长15～20厘米、厚0.5～9厘米，每片价值2000～3000美元。使用时再把它们拼接起来，仿佛中国古代的“金缕玉衣”一般，非常合身。这样做还有两个好处，一是每个陶瓷片之间都留有微小空隙，可以防止受热变形互相挤压而损坏；二是如果个别陶瓷片毁坏，修理起来方便。在机头和机翼的前缘，温度最高，必须重点保护，使用最厚的“陶瓷瓦片”。
这些陶瓷片都按照设计预先标好号码，对照工艺图纸，一一“对号入座”，利用一种特殊“高效阻燃胶”用手工一片一片粘贴到飞机上，共用了12000名技术工人。后来科学家专门研制出用于粘贴航天飞机“避火衣”的机器人，才提高了粘贴速度。这件超级“金缕玉衣”——航天飞机“避火衣”近1万公斤重，价值达3亿6千万美元。
1981年4月，美国“哥伦比亚”号航天飞机就是穿着这件昂贵厚重的“避火衣”，顺利完成了太空考察。返回地面后，科学家发现，在31000多块陶瓷瓦片中，需要更换的只有1300多块，仅占总数的4.5%！又经过不断改进，在以后几次宇航飞行中，都获得了成功。
呼唤新型“避火衣”
这次2003年“哥伦比亚”号航天飞机的失事原因，经过科学家认真分析，据判断就是“避火衣”出了问题：有1～2块避火隔热“陶瓷片”损坏或脱落，使烈火进入机身，高温使航天飞机爆炸坠毁，酿成了如此的大祸！这件轰动全球的航天事故，给科学家又一次提出了严峻的新课题。
目前，科学家准备把避火隔热“陶瓷片”的外层，由高辐射陶瓷材料改为耐高温的“合金层”，这样可以大大加强陶瓷瓦片“避火衣”的抗撞强度。
各种宇航器的“避火衣”，各国科学家还正在继续研究，它是保证安全返回的关键设施之一。而且，如果能减轻一些重量，对发射火箭推力的要求就可以降低很多，从而可以降低宇航工程的成本。根据计算，宇航器的“避火衣”重量减轻1公斤，可以使推动火箭减少500公斤；如果“避火衣”能减轻15%，那么可以使宇航器的飞行距离与上升速度各增加10%！
我国“神舟”五号载人宇宙飞船，在2003年10月顺利发射升空与安全返回，是我国载人航天技术的历史性突破。下一步是发射“神舟”六号载人宇宙飞船，建立我国“太空”空间站和实现“嫦娥（探月）计划”。让我们等待着好消息吧！