小火箭聊导弹飞船与高超声速飞行器的热防护
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小火箭出品
本文作者：邢强博士
大约公元前897年，西周天子封子秦嬴为秦侯，秦侯国就此建立。共和元年，也就是农历庚申年（公元前841年），中国历史上开始出现确切的纪年。公元前814年，伊利沙公主在马格里布建立迦太基王国。
就在这一时期，古希腊地区开始在陶罐和彩绘中出现了这样的一则传说。该传说后来被整理进了希腊/罗马神话传说中。
古希腊发明家、建筑设计大师代达洛斯被克里特岛的国王米诺斯邀请过去设计并主持建造精巧的迷宫，以便关住米诺斯那位牛头人身的儿子。迷宫建好后，国王米诺斯认为建筑大师知道得太多了，便将代达洛斯父子关进迷宫中的塔楼。
代达洛斯收集了上万只海鸟的羽翼，用蜂蜡粘接后，制成了飞行翼。一天，晴空万里，上升气流的独特味道刺激着代达洛斯和伊卡洛斯父子的嗅觉，逃离的时机到了。父子俩穿上飞行羽翼，从高塔顶部的一跃而下，借助气流扶摇而上，升入高空。
父亲代达洛斯告诫儿子伊卡洛斯：“不要飞得过低，那样雾气会让羽翼变得沉重，无法快速飞行；不要飞得过高，那样阳光会融化蜂蜡，你将从高空坠落。”小火箭认为，这应该是人类历史上最早的有关飞行器多约束总体设计优化的论述了（确立了飞行器飞行的高度范围）。
年轻的伊卡洛斯只记住了前半句告诫，而被碰触太阳的强烈愿望驱使着越飞越高。最终，太阳的高温融化了羽翼，伊卡洛斯坠入大海，不见踪影。父亲代达洛斯满含悲伤，飞上奥林匹斯山，将自己的羽翼挂在太阳神阿波罗的神庙之上，然后返回了家乡，终生不再飞翔。
飞船
伊卡洛斯的羽翼与太阳神的烈焰炙烤之间的对抗，是飞船、导弹、高超声速飞行器防热系统与再入大气的气动加热对抗的缩影和暗喻。好在现代防热材料的出现和现代飞行器总体设计优化的进步让羽翼不再那么轻易融化，也就终于使得人类的飞行高度和飞行速度不再局限于代达洛斯的告诫之内。
飞船再入大气时，其飞行速度由7.8千米/秒降到几十米每秒，飞行高度由400千米降到数千米，巨大的动能和重力势能几乎全部要靠内能来耗散。由此产生的热量是惊人的。飞船、小型空天飞行器再入的最高温度在1500℃以上，有时温度甚至高达1865℃、航天飞机再入时的最高温度达1650℃。
为了防止飞船像伊卡洛斯的羽翼那样融化掉，人类工程师从结构和材料两个方向来进行攻关。上图为上世纪50年代，人们对于尖头和钝头飞行器在高速气流中的风洞研究成果。
说起飞船的再入防热，小火箭觉得不得不提的就是艾伦博士这个人。他首次提出了钝头再入体的概念。以往，人们认为越尖的物体越能“披荆斩棘”，撕开激波。而艾伦通过计算，指出：在正激波之后，气流不能快速扩散，成了一个阻碍热量继续传导的垫子，起到了防护飞船的作用，反而更加利于再入飞行器的热防护。上图为1957年12月31日，艾伦博士向其他工程师讲述钝头再入原理的场景。注意黑板上的公式：再入飞行器的热流与其阻力系数成反比，阻力系数越大，热流越小。
这是阿波罗登月飞船的指令舱图纸，可以看到钝钝的飞船底部形状。
进入地球大气层的流星也给工程师一定的启发，甚至这个启发要比艾伦博士的发现还要早。上图为切割和抛光的一片埃斯克尔陨石，黄绿色的橄榄石晶体被包裹在铁镍基体内，是颗石铁陨石的橄榄陨铁。
小火箭从戈达德博士（液体火箭之父）在1920年的一篇手记中发现了这样一段话，上图红圈中：“
In the case of meteors, which enter the atmosphere with speeds as high as 30 miles per second, the interior of the meteors remains cold, and the erosion is due, to a large extent, to chipping or cracking of the suddenly heated surface. For this reason, if the outer surface of the apparatus were to consist of layers of a very infusible hard substance with layers of a poor heat conductor between, the surface would not be eroded to any considerable extent.
”
小火箭译：“流星体进入大气层的速度达到了每秒30英里（48.28公里），而其内部则依然是冷的。热流对流星体内部的侵蚀通常要归咎于受热表面的突然碎裂。因此，如果某些设备拥有坚硬且不易融化的外壳，同时还有一个导热系数很低的中间层的话，就能够经受住考验而不被热流侵蚀掉。”
这个理念在后来的飞船上以防热瓦、防护层的形式体现了出来。不过，在那种“坚硬且不易融化”的外壳出现之前，很长一段时间内，飞船用一些在融化过程中能够大量带走热量的烧蚀材料来作为外壳，起到了异曲同工的效果。
双子座2号飞船防热大底近照。
水星、双子座、阿波罗飞船都采用了针对性的防热措施。其中，阿波罗飞船的再入攻角控制在-27.1°到-28.9°之间，保持了一个0.3683左右的升阻比，这对飞船的热环境的改善是用很大帮助的。
在材料方面，阿波罗飞船使用了名为AVCOAT的材料。（小火箭具体说为AVCOAT 5026-39）。这是一种酚醛环氧树脂低密度烧蚀材料。实际上，在美国未来的载人飞船猎户座上，AVCOAT材料依然挑起了热防护的大梁。飞船外层为酚醛环氧树脂低密度烧蚀材料，中层为不锈钢蜂窝夹层隔热层。这种设计很经典。
这是猎户座飞船的防热大底（或者按照直译，将其称为：热盾）。
苏联对烧蚀材料的研究走了另外的路线：他们更喜欢用石棉。早期的联盟飞船的防热大底和侧壁上，大量应用了玻璃纤维-石棉结构，后来加入了酚醛树脂/聚四氟乙烯材料。上图为刚刚返回地面的联盟TMA-13飞船返回舱，注意其烧蚀情况。
说了美国和苏联/俄罗斯的飞船防热设计，那中国的呢？小火箭可以说一下么？我觉得干脆在本文详细说一下吧！
中国的神舟飞船是中国迄今为止唯一一款载人飞船。虽然外形看起来和苏联联盟飞船很相似，不过实际上，神舟飞船的热防护材料还是比较先进的。上图为神舟1号返回舱实物近照，邢强拍摄。
神舟1飞船的侧壁特写，邢强拍摄。神舟飞船的侧壁烧蚀材料由酚醛微球空心材料、玻璃微球空心材料和玻璃纤维增强材料组成。这些材料以特定的配比填充到玻璃钢蜂窝结构中，共同构成了飞船的烧蚀侧壁。
多种微球在基材中分布，共同构成了神舟飞船的烧蚀层。这个有点像粽子，糯米相当于基材，红豆、红枣相当于玻璃、酚醛微球。邢强摄于2017年5月17日。
实际上，神舟飞船的防热设计还有更多有趣的细节。联盟飞船、阿波罗飞船时代，飞船防热系统的安全系数给得太高，有些偏保守了。而到了现代，通过计算和优化，完全可以做出更轻的烧蚀层，同时还能保证宇航员的安全。神舟飞船的烧蚀层的优化精细到了什么程度呢？
小火箭答：又管用又轻，而且“迎风面”和“背风面”用了不同配比的材料。（感觉像是在给神舟飞船做广告。）
为了给小火箭的好友们一个直观印象，小火箭认为只展示神舟1号飞船是不够的，于是我又把神舟11号飞船的返回舱的近照放上来了。上图为我拍摄的神舟11号飞船返回舱的“迎风面”。
详细来说，苏联联盟飞船的热防护的安全余量最大，但是也最重，其比重为1.58，是比水还要沉的。阿波罗飞船放宽了一些安全余量，用了轻质材料，其比重为0.55。（联盟飞船的热防护层的密度是阿波罗飞船的2.87倍。）而神舟飞船是这样做的：在防热大底和飞船侧壁的“迎风面”，用比较耐热且密度较大的材料（比重为0.711），在不是那么烫的“背风面”，用密度较小的材料（比重为0.54）。
大胆采用轻质材料让神舟飞船的载荷比优于联盟飞船。仅从防热材料来看，即使是迎风面的厚实材料，其比重也只是联盟飞船的45%，在轻质的背风面，其比重更仅仅是联盟飞船的34.8%。上图为小火箭拍摄的神舟11号飞船返回舱的背风面。其凹陷和裂纹展示了这种轻质材料的酥软一面，不过不用担心，里面的舱壁还是蛮结实的。仔细比对上图和上上图，小火箭觉得大家已经能够看出两种采用不同配方的材料的区别了。
这是飞船防热大底在实验室中进行测试的场景。
导弹
然后，咱们再聊一聊小火箭更喜欢聊的导弹吧（愿世界和平，但导弹上凝结的技术还是很值得说一说的）。
导弹弹头的热防护，从上世纪50年代研制的宇宙神导弹，也就是美国最早的洲际弹道导弹宇宙神开始聊吧。
一开始，美国工程师提出了酚醛烧蚀头锥这一先进的技术方案。但是，其技术成熟性尚未达到列装要求。因此，康维尔公司在交付宇宙神弹道导弹的时候，依然采用铜合金热沉式头锥。头部锥角105°的钝头上镀了一层厚厚的铜。
但是，那种热沉头锥的缺点太多了：再入速度慢、重量大。最要命的是，各大国都已经在着手发展导弹预警雷达技术。铜合金弹头再入大气时拖出来的长长的电离尾巴，在雷达屏幕中看起来简直就像是夜空中一根手电筒光柱那么显眼。
后来，通用电气公司终于攻克了烧蚀头锥的技术难关，于是就有了上图那样的宇宙神导弹头锥。该头锥长3.05米，头锥角为60°。有关宇宙神弹道导弹，详见小火箭的公号文章《从美国最早的洲际弹道导弹看项目管理》。
大力神1号导弹，全长31米，最大直径3.05米，发射重量105.14吨。
这枚展示弹做得很细致，连W38核弹头的样子也做出来了。大力神1号导弹的再入飞行器，利用裙段来增强再入稳定性。
里面的W38核弹头长2米，直径81厘米,重1397.06千克，爆炸当量为375万吨TNT。后续的改进型有更大威力的弹头。
大力神1号导弹的头锥。注意，其顶部采用金属蜂窝陶瓷和酚醛树脂浸渍二氧化硅制成的防热结构。有关大力神1号导弹，详见小火箭的公号文章《大力神1号：美国最早的二级洲际弹道导弹》。
大力神2号洲际弹道导弹搭载了一枚当量为900万吨TNT的氢弹。
这种氢弹试爆的场景。摄于1958年6月28日。
大力神2号导弹的弹头，为烧蚀式，外面有一层增强型环氧树脂材料。有关大力神2号洲际弹道导弹，详见小火箭的公号文章《井与肼的魅惑：大力神2号洲际弹道导弹》。
民兵III型洲际弹道导弹是美国目前唯一在役的陆基洲际弹道导弹。
两个乐观的导弹维护工程师。一会儿要拧72个螺丝，居然还笑得出来，哈哈。
早期的试验弹头
后来，民兵I型洲际弹道导弹选用了MK5型核弹头。该弹头重450千克，为钝锥形+圆柱中段+裙状尾端结构，爆炸当量为60万吨TNT。
早期的民兵导弹的弹头防热也是采用了硬扛的方式，选用了以钼合金来增强的二氧化硅陶瓷结构。
再后来，民兵导弹开始选用MK-12和MK-12A弹头。
再后来，则开始更加注重突防能力，使用了多弹头技术（比如3个当量为17.5万吨的子弹头）。
噢，对了，关于MK-12子弹头的再入姿态稳定问题，小火箭要补充一下：没有裙段的弹头，是靠每秒旋转2周的转动来稳定的。
后期的民兵III型洲际弹道导弹的弹头采用了碳碳C-C复合材料，这个就和下文中小火箭要讲的高超声速飞行器的防热形成了联系。上图和上上图为小火箭邢强博士计算的民兵III型洲际弹道导弹的弹道。有关该型导弹，详见小火箭的公号文章《民兵导弹：美国唯一在役的陆基战略核导弹》。
这是民兵III型洲际弹道导弹的再入段特写。
高超
说起高超声速飞行器的再入防热，很多人可能一下子就想起了2003年2月1日，哥伦比亚航天飞机再入大气时的那场事故。化作无数微流星体的航天飞机残骸在叮嘱全世界的工程师，不要放松对再入飞行器热防护的思考。
而说到哥伦比亚号航天飞机本身，小火箭这里恰好有她当年再入大气时的红外照片。上图是1982年3月30日，哥伦比亚号航天飞机再入大气时，一架C-141运输机带着这个直径达915毫米的镜头在航天飞机下方飞过时拍摄到的珍贵影像（左侧是可见光影像，右侧为红外影像）。小火箭找到了当时这架航天飞机的飞行数据的记录资料，拍下这张照片的瞬间，航天飞机的飞行速度为15.955马赫（声音速度的15.955倍）。
航天飞机再入大气时，其稳定是相当高的。上图为NASA给出的航天飞机再入流场。
这是苏联研究部门给出的暴风雪号航天飞机的再入热流分布情况。最高温度达到了1800℃，机头和机翼前缘部分区域的温度也高达1650℃。
当然，直接使用别人的计算结果并不是小火箭的风格，我觉得还是自己算一下比较靠谱。而且目前能够拿到的美国和苏联相关飞行器的温度场图像没有结合流场的流线展示，不是很直观。小火箭用用小火箭计算中心计算了7天（算上前后处理，断断续续用了2个月的时间），终于得出了结果。现在在这里分享给所有小火箭好友，希望大家能够喜欢：
上图和上上图是小火箭计算的某型高超声速飞行器再入大气时的流场情况。我的结果是：机头和机翼前缘的最高温度为1655℃。
航天飞机上面使用的防热材料有多个种类。小火箭在这里一一说一下。上图的机鼻部位，用的是类似民兵III型洲际弹道导弹再入弹头上的增强型碳-碳复合材料。
航天飞机的腹部和机翼下方是再入的迎风面，这些地方采用了高温表面防热瓦。
防热瓦长什么样？见下图：
每块防热瓦的5个面都涂上了氧化硼、硅化硼和氧化硅，这些涂层涂在氧化硅基体上。基体是比较松软的，由直径1.5微米的氧化硅纤维通过4个小时的高温烧结而成，其中90%以上的体积是空心的。小火箭好友，不知你有没有注意到防热瓦上的编号。
离近一些看，编号更清楚了。
这些编号用来告诉工程师应该把每一块防热瓦铺设到哪个位置。如果我们离近一些看航天飞机的肚皮的话，就能够看到带有编号的防热瓦是怎样铺设在上面的了。
为什么不用一整块烧结出一架航天飞机的外壳？答：热胀冷缩，如果连成整体的话，容易碎掉。
中间的缝隙，会不会导致热流窜入，从而酿成事故？答：缝隙的宽度经过严格计算，正常情况下不会。但是，哥伦比亚号航天飞机因为瓦片的不正常状态，导致了热流窜入，融化了内部的铝合金机体，另当别论。
在再入温度不是很高的地方，航天飞机上铺设的是白色的弹性隔热毡。
X-37B着陆中的红外成像图像。可见其机头还是比较烫的。
X-37B的防热系统与航天飞机看起来很像。但是，小火箭可以比较严肃地说：其实已经完全不同了。
X-37B的防热材料由钽基复合材料（有关钽基材料，我会在后续给出专门的文章介绍，敬请关注小火箭）、碳碳层、硼硅酸盐、有机多分子硅醚等多层结构构成。其石墨基聚酰亚胺复合材料蜂窝夹层结构在拥有比较强的防热能力的同时，还能够预防裂纹的扩散。无论从结构上，还是从材料的角度来看，X-37B的防热系统比航天飞机已经先进了太多。（仅从外表的相似来判断性能是小火箭无法认同的，还是从结构和组成的角度来详细分析比较靠谱。）有关聚酰亚胺材料，详见小火箭的公号文章《卫星表面的金色薄膜，一种重要的军事和工业材料》，这里不再赘述。
不过，在防热瓦上涂写编号以便告知工程师铺设位置的传统没有变。另外要值得注意的是，这种防热瓦是可多次重复使用的，比起航天飞机每次返回后都要耗费大量人力物力来检测和重新铺设受损防热瓦来说，可以大幅降低运营和维护成本。
文章末尾，小火箭再给出两张我计算的某型高超声速飞行器的流场图（在小火箭公号文章中，点击可查看细节丰富的大图），注意双三角机翼划出的两个优美的涡。
这展开的双翼像是在向伊卡洛斯的羽翼致敬吧。伊卡洛斯，努力向着太阳飞升的过程，将一场逃亡变为一种对光明和真理的追求。阿波罗在希腊神话中拥有全知的神力，太阳的炙烤为求知竖立了高高的门槛，但伊卡洛斯用行动将求知的灵魂变得绚烂不已。想那羽翼在太阳的映照下一定无比华丽，那坠落也必定是万分果决。
现代防热技术正在努力让伊卡洛斯的悲剧不再重演，但是飞行器再入大气和高超声速飞行器在飞行过程中的热流是获取高度和速度所必须付出的代价。
小火箭认为，或许人生就是这样，压力和困难无时无刻不在阻止着我们向梦想迈进。不妨向再入大气的飞行器学习吧，与其在煎熬中等待困难时期过去，不如顶住压力翩翩起舞，在空中划出属于自己的美丽曲线，将一切不如意化作一缕缕飞舞的流线，将它们远远地抛在脑后。与君共勉之！
双子座2号飞船从发射到返回全过程（返回过程为第一人称视角）
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