美繞月飛船3.8萬(wàn)公里時(shí)速返回，隔熱罩面臨高溫考驗(yàn)

不得不說(shuō)，能夠完成繞月飛行，其實(shí)已經(jīng)非常不錯(cuò)了！

這幾天關(guān)于美國(guó)“阿耳忒彌斯2號(hào)”繞月飛行的事情一直被人議論，畢竟飛船剛起飛就發(fā)生了“廁所故障”。

好在飛船上的關(guān)鍵技術(shù)性沒(méi)有出現(xiàn)失誤，根據(jù)目前來(lái)看，如今NASA已經(jīng)啟動(dòng)了返回計(jì)劃，預(yù)計(jì)是北京時(shí)間4月11日早上在美國(guó)加利福尼亞州圣迭戈海岸附近濺落。

飛船將完成三次軌道修正點(diǎn)火，以精確校準(zhǔn)返回航線，對(duì)于美國(guó)宇航局而言，整趟任務(wù)最驚險(xiǎn)的時(shí)刻并非飛向月球，而是最后幾分鐘沖回地球的過(guò)程。

這次任務(wù)的核心設(shè)備是“獵戶座”飛船，它搭載4名宇航員，利用“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭送入月球軌道。

從發(fā)射到濺落，飛船預(yù)計(jì)總共飛行約111萬(wàn)公里，當(dāng)飛船從月球方向歸來(lái)，最后再入地球大氣層時(shí)的速度將高達(dá)約3.8萬(wàn)公里每小時(shí)，超過(guò)音速30倍。

以這樣的速度沖入大氣層，空氣在飛船前方被劇烈壓縮，形成熾熱等離子體，飛船外表面溫度將被加熱到2760攝氏度以上。

鋼鐵的熔點(diǎn)大約在1500攝氏度左右，2760攝氏度的高溫足以熔穿絕大多數(shù)金屬材料。

獵戶座飛船最讓人擔(dān)憂的環(huán)節(jié)恰恰是承擔(dān)抵御這一極端高溫的關(guān)鍵部件，那就是隔熱罩。

這一隱患并非憑空猜測(cè)，而是來(lái)自2022年“阿耳忒彌斯1號(hào)”無(wú)人繞月飛行任務(wù)的真實(shí)教訓(xùn)。

當(dāng)時(shí)，獵戶座飛船在完成繞月測(cè)試返回地球后，NASA工程師發(fā)現(xiàn)隔熱罩表面出現(xiàn)了超出預(yù)期的損傷，炭化層在多處區(qū)域發(fā)生異常脫落，損耗方式與設(shè)計(jì)預(yù)期嚴(yán)重不符。

后續(xù)調(diào)查揭示了一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，隔熱罩外層使用的燒蝕材料名為Avcoat，由186塊特殊材料拼接而成，原理是在再入高溫下產(chǎn)生氣體并逐層燒蝕，將熱量帶離飛船。

但在“阿耳忒彌斯1號(hào)”的再入過(guò)程中，熱環(huán)境導(dǎo)致熱量在材料內(nèi)部積累，部分區(qū)域的氣體沒(méi)能像預(yù)期那樣順暢逸散。

由于Avcoat材料結(jié)構(gòu)不夠“透氣”，高溫氣體在內(nèi)部積聚，壓力上升后引發(fā)開裂，最終造成一些炭化層碎片脫落。

更具體地說(shuō)，“阿耳忒彌斯1號(hào)”采用的是一種被稱為“跳躍式再入”的飛行軌跡，飛船先進(jìn)入大氣層減速，隨后利用氣動(dòng)升力反彈回太空，最后再次進(jìn)入大氣層完成降落。

這種飛行方式的初衷是減緩過(guò)載和熱負(fù)荷，但帶來(lái)了意料之外的副作用，當(dāng)飛船第一次墜入大氣層后“跳”回太空時(shí)，隔熱罩表面熔化的樹脂冷卻變硬，將尚未排出的氣體困在材料內(nèi)部。

待飛船再次進(jìn)入大氣層時(shí)，氣體猛烈膨脹，導(dǎo)致炭化層開裂和碎片飛散，事后檢查發(fā)現(xiàn)，隔熱罩表面存在超過(guò)100處材料剝離的痕跡。

面對(duì)這一明確的技術(shù)隱患，NASA并未選擇更換“阿耳忒彌斯2號(hào)”的隔熱罩，原因在于，“阿耳忒彌斯2號(hào)”使用的獵戶座飛船已經(jīng)完成制造和組裝，若要拆卸并更換全新的隔熱罩，至少需要推遲一年以上的任務(wù)時(shí)間。

NASA在權(quán)衡之后，選擇了一條更“緩和”的路徑，他們決定不換硬件，改飛行方式。

具體來(lái)說(shuō)，任務(wù)團(tuán)隊(duì)對(duì)再入剖面進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，縮短飛船在特定熱環(huán)境中的飛行距離和作用時(shí)間，將暴露時(shí)間從原來(lái)的約14分鐘壓縮至8分鐘左右，以降低類似炭層異常脫落再次發(fā)生的概率。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一方案的安全性，NASA工程師進(jìn)行了一項(xiàng)名為“損傷容限評(píng)估”的極限測(cè)試，模擬隔熱罩大面積徹底失效的極端工況，直接對(duì)飛船內(nèi)部的復(fù)合材料底座進(jìn)行持續(xù)高溫轟擊。

測(cè)試結(jié)果顯示，即便外部隔熱層剝落，飛船的鈦合金骨架與復(fù)合結(jié)構(gòu)仍能承受160°C至500°C的溫度，確保艙內(nèi)宇航員安然無(wú)恙，且飛船仍能保持水密性安全濺落。

此外，“阿耳忒彌斯1號(hào)”雖然發(fā)生了異常炭層脫落，但飛行數(shù)據(jù)顯示艙內(nèi)溫度始終保持在約23至24攝氏度，如果當(dāng)時(shí)有宇航員在艙內(nèi)，生命安全并不會(huì)受到威脅。

不過(guò)，這并不意味著風(fēng)險(xiǎn)完全消失，NASA的決定引發(fā)了航天界內(nèi)外的持續(xù)討論，前NASA宇航員查爾斯·卡馬達(dá)曾公開表示，隔熱罩的問(wèn)題構(gòu)成“嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)”，并致信NASA提出技術(shù)和管理層面的擔(dān)憂。

另一位前宇航員丹尼·奧利瓦斯也直言“這不是NASA愿意交給宇航員的隔熱罩”，盡管NASA新任局長(zhǎng)賈里德·艾薩克曼在2026年1月的關(guān)鍵審查會(huì)議上正式拍板，確認(rèn)隔熱罩可以執(zhí)行載人任務(wù)，并將任務(wù)鎖定在2月發(fā)射窗口，但圍繞這一決策的爭(zhēng)議并未完全平息。

從技術(shù)角度看，隔熱罩的問(wèn)題折射出深空探索中一個(gè)根本性的挑戰(zhàn)，地面模擬永遠(yuǎn)無(wú)法完全復(fù)現(xiàn)真實(shí)的飛行環(huán)境。

NASA團(tuán)隊(duì)承認(rèn)，在“阿耳忒彌斯1號(hào)”之前進(jìn)行的地面測(cè)試中，加熱速率被設(shè)置得比實(shí)際飛行更高，結(jié)果Avcoat材料按預(yù)期形成了可滲透的炭化層，氣體得以順利逸散。

而實(shí)際飛行中較低且不均勻的加熱速率反而導(dǎo)致了氣體堵塞和壓力積聚——這正是地面測(cè)試未能預(yù)見的現(xiàn)象。

目前，獵戶座飛船正在返回地球的途中，如果此次再入成功，將標(biāo)志著美國(guó)重返月球計(jì)劃邁過(guò)了最危險(xiǎn)的關(guān)口，如果隔熱罩再次出現(xiàn)超預(yù)期的材料損耗，整個(gè)“阿耳忒彌斯”計(jì)劃的時(shí)間表。

包括原定2027年的“阿耳忒彌斯3號(hào)”和2028年的登月任務(wù)，都可能被迫重新審視。

對(duì)于即將經(jīng)歷2760攝氏度灼燒考驗(yàn)的獵戶座飛船而言，最后幾分鐘的再入過(guò)程將決定這場(chǎng)任務(wù)的最終成敗。