3月28日，北京穿越者載人航天科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱：穿越者)成功完成商業(yè)航天首次亞軌道載人飛船主動(dòng)防熱技術(shù)地面驗(yàn)證試驗(yàn)。穿越者團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將仿生學(xué)原理引入了載人飛船的熱防護(hù)領(lǐng)域，通過(guò)模擬人體皮膚“毛孔呼吸”機(jī)制，在飛船表面設(shè)置數(shù)萬(wàn)個(gè)微型孔道，其遇到高溫瞬間能噴射冷氣形成隔熱氣膜，就像給飛船打造了一層可自主感知及抵御高溫的“智能主動(dòng)防熱皮膚”。穿越者模擬飛船再入的極端熱環(huán)境——通過(guò)持續(xù)高強(qiáng)度加熱進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示，穿越者主動(dòng)防熱材料在經(jīng)受超1600℃以上高溫長(zhǎng)時(shí)間燃燒下，主動(dòng)防熱系統(tǒng)冷卻效率最高達(dá)到58%，超過(guò)仿真預(yù)測(cè)的50%閾值，證明了主動(dòng)防熱技術(shù)的有效性及應(yīng)用在再入飛行器領(lǐng)域的潛力，此外，還突破了載人飛船傳統(tǒng)防熱技術(shù)不可復(fù)用的瓶頸。

穿越者載人飛船主動(dòng)防熱試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

此次地面驗(yàn)證試驗(yàn)中，穿越者所采用的主動(dòng)防熱技術(shù)基本原理與SpaceX星艦飛船第七次、第八次飛行試驗(yàn)中局部搭載的主動(dòng)防熱模塊原理一致，試驗(yàn)的成功，證明了穿越者團(tuán)隊(duì)突破了主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)復(fù)雜流場(chǎng)分析與設(shè)計(jì)技術(shù)、陣列微孔成型與防隔熱-承力結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)，也意味著穿越者載人飛船有望先于星艦應(yīng)用主動(dòng)防熱技術(shù)，成為全球首款“會(huì)呼吸”的載人飛船，大幅降低載人飛船防熱結(jié)構(gòu)成本。

條紋狀瓦片為星艦第七飛中使用的主動(dòng)防熱瓦

中國(guó)載人航天器力學(xué)、防熱及試驗(yàn)領(lǐng)域?qū)＜?，航天五院首席研究員、原科技委常委向樹(shù)紅教授表示：

“防熱是與衛(wèi)星、火箭相比，載人飛船所獨(dú)有的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一，主動(dòng)防熱技術(shù)是一種全新的熱防護(hù)理念，打破了傳統(tǒng)被動(dòng)防熱技術(shù)不可復(fù)用的局限，通過(guò)主動(dòng)冷卻的方式實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)系統(tǒng)的熱量排散。穿越者團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿生學(xué)與工程學(xué)的深度融合，實(shí)現(xiàn)了防熱系統(tǒng)成本大幅降低，能有效提高飛船的可靠性和可重復(fù)使用性。穿越者對(duì)齊SpaceX星艦，團(tuán)隊(duì)在技術(shù)創(chuàng)新方面的突破為中國(guó)商業(yè)載人航天注入了新的技術(shù)活力，這不僅是我國(guó)商業(yè)航天領(lǐng)域首次進(jìn)行主動(dòng)防熱技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，也標(biāo)志著我國(guó)載人航天可復(fù)用防熱技術(shù)進(jìn)入了國(guó)際領(lǐng)先。從被動(dòng)式載人飛船設(shè)計(jì)向“主動(dòng)式載人飛船”設(shè)計(jì)的升級(jí)，更是一場(chǎng)商業(yè)航天技術(shù)發(fā)展范式的創(chuàng)新，讓太空旅游更安全、更舒適、更高效，載人飛船成本進(jìn)一步降低，更多人進(jìn)入太空的夢(mèng)想能夠成為現(xiàn)實(shí)?！?/p>

01

技術(shù)突破，打造“會(huì)呼吸”的載人飛船

當(dāng)飛船高速（如7-8 km/s）再入大氣層時(shí)，前方空氣被劇烈壓縮形成激波，導(dǎo)致氣體分子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，此時(shí)氣流最高溫度可達(dá)到10000℃以上，艙體局部位置最高溫度可達(dá)2000°C以上，艙體大面積溫度達(dá)1000℃以上，足以熔化或燒毀大多數(shù)材料。為了承受飛船再入而面臨的高溫嚴(yán)酷環(huán)境，傳統(tǒng)防熱方案如航天飛機(jī)等采用的防熱瓦、碳碳材料、硅碳材料等燒蝕防熱材料，主要是通過(guò)被動(dòng)式防熱，即依靠防熱材料的熱解、熔化、蒸發(fā)、升華等多種化學(xué)反應(yīng)，犧牲部分材料質(zhì)量從而吸收并帶走大量的熱量。這種傳統(tǒng)防熱方案因價(jià)格高昂、力學(xué)性能差、不可重復(fù)使用等特點(diǎn)，難以滿足商業(yè)載人飛船可重復(fù)使用、低成本運(yùn)營(yíng)的需求。

作為國(guó)內(nèi)首家商業(yè)載人航天企業(yè)，穿越者站在國(guó)家30余年100%成功的載人航天工程體系基礎(chǔ)上，吸收國(guó)內(nèi)外各領(lǐng)域技術(shù)突破，創(chuàng)新性的從人體皮膚中汲取靈感，研發(fā)出“會(huì)呼吸人體毛孔主動(dòng)防熱技術(shù)”，通過(guò)航天毛孔控制冷卻工質(zhì)滲透速率，在再入大氣層時(shí)形成主動(dòng)動(dòng)態(tài)氣膜屏障，如同為飛船披上“會(huì)呼吸的智能皮膚”，穿越者壹號(hào)（CYZ1）有望成為全球首款“主動(dòng)式載人飛船”。

不銹鋼試驗(yàn)件在高溫煅燒下，表面有明顯氣膜存在

02

主動(dòng)防熱，賦予載人飛船“有機(jī)感”

在試驗(yàn)中，穿越者采用工業(yè)體系中成本低廉的304不銹鋼材料作為基體材料，未做防熱技術(shù)處理的不銹鋼材料，當(dāng)所遇溫度超過(guò)1500°C后，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度會(huì)迅速下降，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)解體，而做了熱防護(hù)的不銹鋼材料，則能夠有效抵抗。

穿越者在不銹鋼表面構(gòu)建出智能微孔陣列，向外輸送冷卻工質(zhì)，通過(guò)自主調(diào)節(jié)氣壓力和流量，使得冷卻工質(zhì)與來(lái)流相互作用，在試驗(yàn)件表面形成均勻穩(wěn)定的氣膜。利用熱成像儀和點(diǎn)溫儀等溫度測(cè)量采集裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)件及其周邊整體溫度場(chǎng)和關(guān)鍵點(diǎn)位溫度。實(shí)際飛行中，當(dāng)飛船遭遇高溫環(huán)境時(shí)，無(wú)數(shù)排列各異的氣孔瞬間被激活，系統(tǒng)自主控制氮?dú)鉂B透速率，通過(guò)精密排列的微孔釋放冷氣，在船體表面形成動(dòng)態(tài)氣膜屏障，抵御重重烈焰燃燒。這種“呼吸式”防護(hù)機(jī)制類似人體毛孔的排汗散熱功能，可隨溫度變化自主調(diào)節(jié)氣膜密度，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)系統(tǒng)的智能化響應(yīng)，讓飛船擁有“感知高溫、自主抵御”的能力，賦予飛船生命有機(jī)感。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)穿越者主動(dòng)防熱材料在連續(xù)2小時(shí)經(jīng)受超1600°C以上高溫長(zhǎng)時(shí)間煅燒下，材料表面最高溫度保持在600℃以下，且未出現(xiàn)熔融、軟化等現(xiàn)象，有效驗(yàn)證了主動(dòng)防熱技術(shù)的可行性和長(zhǎng)時(shí)間可靠性。為了更直觀地展示主動(dòng)防熱技術(shù)的效果，穿越者技術(shù)團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了對(duì)照試驗(yàn)。在對(duì)照試驗(yàn)中，未開(kāi)啟主動(dòng)防熱系統(tǒng)，僅通過(guò)加熱源對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行加熱。結(jié)果顯示，未采用主動(dòng)防熱技術(shù)的不銹鋼試驗(yàn)件在高溫煅燒下最高溫度可達(dá)1200℃以上，試驗(yàn)件表面出現(xiàn)了明顯的高溫氧化燒蝕現(xiàn)象，而采用主動(dòng)防熱技術(shù)的試驗(yàn)件則未出現(xiàn)明顯氧化現(xiàn)象，表面保持了良好的光潔度。

03

專家解讀，主動(dòng)防熱技術(shù)省下的錢(qián)都是太空船票降價(jià)的空間

“穿越者模擬的飛船再入環(huán)境是極端熱環(huán)境：實(shí)際飛行中，氣動(dòng)加熱會(huì)隨高度下降，大氣密度驟增而達(dá)到峰值，但熱流分布受飛行姿態(tài)和速度動(dòng)態(tài)變化影響；而試驗(yàn)中使用火焰槍直接定向轟擊，將熱流強(qiáng)度穩(wěn)定在峰值區(qū)間的1.3倍，且持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，其嚴(yán)苛程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)真實(shí)工況。”向樹(shù)紅教授介紹道。

高溫煅燒可達(dá)1600°C以上，經(jīng)歷時(shí)長(zhǎng)超過(guò)兩小時(shí)

關(guān)于試驗(yàn)的難度，專家指出，首先是主動(dòng)熱防護(hù)系統(tǒng)復(fù)雜流場(chǎng)分析與方案設(shè)計(jì)技術(shù)，主動(dòng)防熱形成的陣列微孔流動(dòng)結(jié)構(gòu)本身非常復(fù)雜，而對(duì)于高超聲速流動(dòng)，激波層很薄，氣膜與邊界層產(chǎn)生黏性干擾，高溫空氣導(dǎo)致強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)及電離效應(yīng)，而射流又會(huì)使得流動(dòng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，這些復(fù)雜因素對(duì)主動(dòng)防熱冷卻效率的影響非常大。如何通過(guò)優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)及射流參數(shù)，實(shí)現(xiàn)使用相對(duì)少的冷卻氣體量來(lái)獲得相對(duì)高的冷卻效果，需要通過(guò)大量仿真及地面試驗(yàn)進(jìn)行迭代驗(yàn)證；再者是陣列微孔成型技術(shù)，主動(dòng)防熱技術(shù)需要在材料表面加工成型一定數(shù)量且形狀不同的微孔，在微孔前端加工出氣流穩(wěn)定腔及供氣管路等，一方面防熱材料自身加工成型難度大，另一方面材料打孔及氣流腔設(shè)計(jì)加工需要結(jié)合飛行器基本構(gòu)型特征，對(duì)防熱結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)成型提出了更高的要求。

“根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，此次試驗(yàn)主要有三大突破?！毕驑?shù)紅解析道。

(1)冷卻效率超預(yù)期：連續(xù)2小時(shí)經(jīng)受1600℃以上高溫長(zhǎng)時(shí)間燃燒下，主動(dòng)防熱系統(tǒng)冷卻效率最高達(dá)到58%，超過(guò)仿真預(yù)測(cè)的50%閾值;

(2)安全冗余韌性強(qiáng)：材料核心溫度始終鎖定在600℃以下，且未出現(xiàn)熔融、軟化等現(xiàn)象，驗(yàn)證了系統(tǒng)在熱流突變、姿態(tài)失控等20種極端場(chǎng)景下的魯棒性;

(3)經(jīng)濟(jì)性直線飛躍：相比采用防熱瓦、防熱涂層等常規(guī)防熱材料，單位面積內(nèi)穿越者主動(dòng)防熱技術(shù)降低成本超過(guò)50%，為商業(yè)化運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)。

隨著穿越者壹號(hào)（CYZ1）載人飛船對(duì)主動(dòng)防熱技術(shù)的應(yīng)用，或?qū)⑶藙?dòng)萬(wàn)億級(jí)太空旅游市場(chǎng)，推動(dòng)太空產(chǎn)業(yè)進(jìn)入指數(shù)增長(zhǎng)新周期。

04

以人為本，穿越者堅(jiān)持用烏龜精神追趕國(guó)際尖端科技

后續(xù)穿越者計(jì)劃在2026年進(jìn)行國(guó)內(nèi)首次全尺寸載人飛船亞軌道無(wú)人飛行試驗(yàn)，并將此次試驗(yàn)的主動(dòng)防熱技術(shù)進(jìn)行局部搭載飛行驗(yàn)證，這或許將是國(guó)內(nèi)首次將主動(dòng)防熱技術(shù)應(yīng)用在載人飛行器上。這不僅是技術(shù)又一次驗(yàn)證，更是打造“會(huì)呼吸的”載人飛船的歷史性時(shí)刻。在此之前，穿越者會(huì)繼續(xù)針對(duì)飛船返回艙再入過(guò)程中艙體受熱最嚴(yán)重的部位，優(yōu)化設(shè)計(jì)船載主動(dòng)防熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最低的系統(tǒng)重量達(dá)到最大的防熱效果，并進(jìn)行相關(guān)的地面驗(yàn)證試驗(yàn)。

穿越者創(chuàng)始人雷詩(shī)情介紹到，穿越者打造以人為本、以用戶為中心的商業(yè)載人飛船，讓飛船更安全、更舒適、價(jià)格更可愛(ài)。此次主動(dòng)防熱試驗(yàn)正是以此設(shè)計(jì)原則和指導(dǎo)思想進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，打破傳統(tǒng)方案，以創(chuàng)新的方式、更低的成本達(dá)到更強(qiáng)力的功效。

“對(duì)齊國(guó)際先進(jìn)，中國(guó)商業(yè)載人航天不僅能追趕，更擅長(zhǎng)突破！這次試驗(yàn)也標(biāo)志著穿越者正用東方智慧為載人飛船賦予生命有機(jī)感，打造‘會(huì)呼吸’的載人飛船，開(kāi)啟從被動(dòng)式載人飛船向‘主動(dòng)式載人飛船’升級(jí)的新時(shí)代。當(dāng)前中美商業(yè)航天的對(duì)比，恰似馬拉松中的追趕者與領(lǐng)跑者，穿越者將繼續(xù)以龜兔賽跑的‘烏龜精神’追趕國(guó)際先進(jìn)?！崩自?shī)情如是說(shuō)。

當(dāng)穿越者壹號(hào)（CYZ1）載人飛船從亞軌道俯沖而下，其表面躍動(dòng)的藍(lán)色氣膜如同地球生命的能量場(chǎng)，在漆黑太空中劃出一道璀璨航跡。

感謝

北京勤合科技有限公司提供試驗(yàn)場(chǎng)地支持！

北京勤合科技有限公司，2014年成立，研發(fā)出了以電子束、等離子束、火焰束三束裝備為技術(shù)發(fā)展核心，并針對(duì)航天、航空領(lǐng)域定制開(kāi)發(fā)特需裝備。長(zhǎng)期以來(lái)，勤合科技用產(chǎn)品說(shuō)話，其電弧等離子束、電子槍束、火焰超音速、火焰燃燒器等產(chǎn)品得到了大面積的應(yīng)用，先后交付625所、北航、西交大、上硅所、西工大、北理工、621所等機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)10余年的技術(shù)積累，勤合科技把電子束、等離子束、火焰束做到行業(yè)領(lǐng)先水平，擁有極端的可靠性和穩(wěn)定性。

注：文章部分內(nèi)容選自新華社《環(huán)球雜志》。