■张宇宁

2003年10月16日5时35分，北京航天指挥控制中心向正在太空中运行的我国首个载人飞船神舟五号发送返回指令，自此神舟五号飞船开始返航。6时04分，神舟五号飞船进入大气层。在此过程中，宇航员杨利伟描述道，“快速飞行的飞船与大气摩擦，产生的高温把舷窗外面烧得一片通红；紧接着，在通红的窗外，有红的白的碎片不停划过”。

飞行器在高速飞行过程中，因为外部高温压缩空气的影响以及飞行器与空气的摩擦生热，机体表面温度会急剧升高，难怪杨利伟驾驶神舟五号飞船进入大气层后飞船的舷窗外面会被烧得“一片通红”。

在飞行器早期的设计和实践过程中，因为机体材料无法承受上述过程中所产生的巨大热量，飞行器的速度一直是难以突破的瓶颈。为了方便表述，业内一般将上述在大气层中飞行器飞行过程中所产生的热量对飞行速度的限制简称为“热障”。突破“热障”后飞行器的速度便可以迅速提升，其应用范围也可以大幅度拓展，所以该现象一直是航空航天领域科学研究的重点内容之一。

实际上，“热障”现象在理论上是有明确解释的。早在1938年，科学家钱学森在其博士论文中便有详细的理论计算和描述。

根据他的计算结果及算例，当飞行器以6倍声速飞行时，其表面的温度将达到外界温度的8倍（大约1500摄氏度）。此外，上述高温不仅仅影响飞行器的外部结构及材料，对于飞行员的安全以及机组内的各种仪器仪表也均会造成重大的威胁。具体而言，当飞行器的速度高于2.5倍声速之时，“热障”便会非常显著。

最为直接的克服“热障”的方法便是将飞行器的材料更换为能够耐受高温同时具有较高强度的材料。例如，美国采用钛合金材料制造飞机，而苏联采用不锈钢材料进行替代，二者都对克服“热障”起到了不错的效果。

经过长期的努力，1956年9月27日，人类终于突破了“热障”。随后，战斗机、侦察机的速度得以大幅度的提升。

此外，飞行器的热防护方法还包括加装隔热设备和安装冷却系统给飞行器的表面进行降温等措施。随着技术的进步，飞行器表面经常被覆盖一层烧蚀材料，类似的技术还包括在飞行器的表面涂抹热防护涂层。在“热障”防护方面，我国神舟五号载人飞船采用了烧蚀材料和涂层防护等方法，杨利伟所看到的碎片便是烧蚀材料逐步脱落后留下的。

因为航空航天工程的复杂性，突破了“热障”并不意味可以一劳永逸。一个惨痛的教训便是美国的哥伦比亚号航天飞机的失事。2003年2月1日，当哥伦比亚号再入大气层时，因航天飞机的热防护系统被其外部脱落的泡沫材料损毁而失事，机上7名航天员遇难。由此可见，飞行器热防护系统及其有效设计仍然是航空航天领域的核心议题之一。

从“热障”研发的历史中，本科生可以体会以下几点。

前瞻性。科学研究需要有一定的前瞻性，应去发现重要的问题。在“热障”现象的研究过程中，部分研究人员墨守成规地认为飞行器不会发生“热障”问题。但是，钱学森通过理论推导和物理分析预见到“热障”的必然性及其对飞行器发展的重要影响，而后续的实践完全证实了上述预见的准确性。

关注细节。根据调查结果，美国哥伦比亚号航天飞机失事的原因主要在于泡沫材料的焊接工艺问题，其焊缝处所掺杂的少量氢气泡在受热膨胀后会导致泡沫分离，从而脱落并损毁了热防护系统。另一个例子是，为耗费巨资研发的哈勃望眼镜提供主镜片的制造公司在镜片磨制过程中存在重大失误，导致该镜片聚焦不准。让人惊讶的是，该问题直到该望远镜被送到太空中才因传回的图像极为模糊而被发现，成了全世界的笑谈。

牺牲精神。一项重要工程的成功实施需要几代人的努力和拼搏。在航空航天发展的过程中，无数的航天员和试飞员作出了杰出的贡献甚至献出了生命。例如，驾驶X-2试验机首次突破“热障”的米尔姆·阿普特便因飞机在一个倾斜转弯动作之后的操作失灵事故而牺牲。

关注前沿学科。随着“热障”现象及其防护措施的持续研发，逐渐形成了气动热力学这一空气动力学领域的新分支，重点研究高速飞行器边界层内的传热传质现象、烧蚀作用的特征及其与周围流场的耦合作用等内容。本科生应该多关注这些前沿、新兴学科的发展和研究进展，并围绕感兴趣的议题积累相关知识。

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