記者3月28日獲悉，北京穿越者載人航天科技有限公司(以下簡稱：穿越者)成功完成商業(yè)航天首次亞軌道載人飛船主動防熱技術(shù)地面驗證試驗。穿越者團隊創(chuàng)造性地將仿生學(xué)原理引入了載人飛船的熱防護領(lǐng)域，通過模擬人體皮膚“毛孔呼吸”機制，在飛船表面設(shè)置數(shù)萬個微型孔道，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“智能主動防熱皮膚”。穿越者模擬飛船再入的極端熱環(huán)境——通過持續(xù)高強度加熱進行驗證，試驗結(jié)果顯示，穿越者主動防熱材料在經(jīng)受超1600℃高溫長時間燃燒下，主動防熱系統(tǒng)冷卻效率最高達到58%，超過仿真預(yù)測的50%閾值，證明了主動防熱技術(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防熱試驗現(xiàn)場）
此次地面驗證試驗中，穿越者所采用的主動防熱技術(shù)基本原理與SpaceX星艦飛船第七次、第八次飛行試驗中局部搭載的主動防熱模塊原理一致，試驗的成功，證明了穿越者團隊突破了主動熱防護系統(tǒng)復(fù)雜流場分析與設(shè)計技術(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)用主動防熱技術(shù)，成為全球首款“會呼吸”的載人飛船，大幅降低載人飛船防熱結(jié)構(gòu)成本。
中國載人航天器力學(xué)、防熱及試驗領(lǐng)域?qū)＜?，航天五院首席研究員、原科技委常委向樹紅教授表示：防熱是與衛(wèi)星、火箭相比，載人飛船所獨有的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一，主動防熱技術(shù)是一種全新的熱防護理念，打破了傳統(tǒng)被動防熱技術(shù)不可復(fù)用的局限，通過主動冷卻的方式實現(xiàn)熱防護系統(tǒng)的熱量排散。穿越者團隊通過仿生學(xué)與工程學(xué)的深度融合，實現(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。穿越者對齊SpaceX星艦，團隊在技術(shù)創(chuàng)新方面的突破為中國商業(yè)載人航天注入了新的技術(shù)活力，這不僅是我國商業(yè)航天領(lǐng)域首次進行主動防熱技術(shù)驗證試驗，也標(biāo)志著我國載人航天可復(fù)用防熱技術(shù)進入了國際領(lǐng)先。從被動式載人飛船設(shè)計向“主動式載人飛船”設(shè)計的升級，更是一場商業(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，載人飛船成本進一步降低，更多人進入太空的夢想能夠成為現(xiàn)實。
（條紋狀瓦片為星艦第七飛中使用的主動防熱瓦）
技術(shù)突破，打造“會呼吸”的載人飛船
當(dāng)飛船高速（如7-8 km/s）再入大氣層時，前方空氣被劇烈壓縮形成激波，導(dǎo)致氣體分子動能轉(zhuǎn)化為熱能，此時氣流最高溫度可達到10000℃以上，艙體局部位置最高溫度可達2000°C以上，艙體大面積溫度達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，主要是通過被動式防熱，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)防熱方案因價格高昂、力學(xué)性能差、不可重復(fù)使用等特點，難以滿足商業(yè)載人飛船可重復(fù)使用、低成本運營的需求。
作為國內(nèi)首家商業(yè)載人航天企業(yè)，穿越者站在國家30余年100%成功的載人航天工程體系基礎(chǔ)上，吸收國內(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“會呼吸人體毛孔主動防熱技術(shù)”，通過航天毛孔控制冷卻工質(zhì)滲透速率，在再入大氣層時形成主動動態(tài)氣膜屏障，如同為飛船披上“會呼吸的智能皮膚”，穿越者壹號（CYZ1）有望成為全球首款“主動式載人飛船”。
（不銹鋼試驗件在高溫煅燒下，表面有明顯氣膜存在）
主動防熱，賦予載人飛船“有機感”
在試驗中，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1500°C后，抗拉強度和屈服強度會迅速下降，甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)解體，而做了熱防護的不銹鋼材料，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)，通過自主調(diào)節(jié)氣壓力和流量，使得冷卻工質(zhì)與來流相互作用，在試驗件表面形成均勻穩(wěn)定的氣膜。利用熱成像儀和點溫儀等溫度測量采集裝置，實時監(jiān)測試驗件及其周邊整體溫度場和關(guān)鍵點位溫度。實際飛行中，當(dāng)飛船遭遇高溫環(huán)境時，無數(shù)排列各異的氣孔瞬間被激活，系統(tǒng)自主控制氮氣滲透速率，通過精密排列的微孔釋放冷氣，在船體表面形成動態(tài)氣膜屏障，抵御重重烈焰燃燒。這種“呼吸式”防護機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，實現(xiàn)熱防護系統(tǒng)的智能化響應(yīng)，讓飛船擁有“感知高溫、自主抵御”的能力，賦予飛船生命有機感。
試驗結(jié)果表明，當(dāng)穿越者主動防熱材料在連續(xù)2小時經(jīng)受超1600°C以上高溫長時間煅燒下，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，有效驗證了主動防熱技術(shù)的可行性和長時間可靠性。為了更直觀地展示主動防熱技術(shù)的效果，穿越者技術(shù)團隊還進行了對照試驗。在對照試驗中，未開啟主動防熱系統(tǒng)，僅通過加熱源對試驗件進行加熱。結(jié)果顯示，未采用主動防熱技術(shù)的不銹鋼試驗件在高溫煅燒下最高溫度可達1200℃以上，試驗件表面出現(xiàn)了明顯的高溫氧化燒蝕現(xiàn)象，而采用主動防熱技術(shù)的試驗件則未出現(xiàn)明顯氧化現(xiàn)象，表面保持了良好的光潔度。
（未啟動主動防熱系統(tǒng)：不銹鋼試驗件在高達1600°以上的高溫煅燒下，試驗件表面出現(xiàn)了明顯的高溫氧化燒蝕現(xiàn)象）
（啟動主動防熱系統(tǒng)：同條件高溫煅燒下，不銹鋼試驗件則未出現(xiàn)明顯氧化現(xiàn)象，表面保持了良好的光潔度）
專家解讀，主動防熱技術(shù)省下的錢都是太空船票降價的空間
“穿越者模擬的飛船再入環(huán)境是極端熱環(huán)境：實際飛行中，氣動加熱會隨高度下降，大氣密度驟增而達到峰值，但熱流分布受飛行姿態(tài)和速度動態(tài)變化影響；而試驗中使用火焰槍直接定向轟擊，將熱流強度穩(wěn)定在峰值區(qū)間的1.3倍，且持續(xù)時間延長，其嚴(yán)苛程度遠遠超過真實工況?！毕驑浼t教授介紹道。
（高溫煅燒可達1600°C以上，經(jīng)歷時長超過兩小時）
關(guān)于試驗的難度，專家指出，首先是主動熱防護系統(tǒng)復(fù)雜流場分析與方案設(shè)計技術(shù)，主動防熱形成的陣列微孔流動結(jié)構(gòu)本身非常復(fù)雜，而對于高超聲速流動，激波層很薄，氣膜與邊界層產(chǎn)生黏性干擾，高溫空氣導(dǎo)致強烈的化學(xué)反應(yīng)及電離效應(yīng)，而射流又會使得流動結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，這些復(fù)雜因素對主動防熱冷卻效率的影響非常大。如何通過優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)及射流參數(shù)，實現(xiàn)使用相對少的冷卻氣體量來獲得相對高的冷卻效果，需要通過大量仿真及地面試驗進行迭代驗證；再者是陣列微孔成型技術(shù)，主動防熱技術(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)計加工需要結(jié)合飛行器基本構(gòu)型特征，對防熱結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計成型提出了更高的要求。
“根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，此次試驗主要有三大突破?！毕驑浼t解析道。
(1)冷卻效率超預(yù)期：連續(xù)2小時經(jīng)受1600℃以上高溫長時間燃燒下，主動防熱系統(tǒng)冷卻效率最高達到58%，超過仿真預(yù)測的50%閾值;
(2)安全冗余韌性強：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，驗證了系統(tǒng)在熱流突變、姿態(tài)失控等20種極端場景下的魯棒性;
(3)經(jīng)濟性直線飛躍：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)穿越者主動防熱技術(shù)降低成本超過50%，為商業(yè)化運營奠定基礎(chǔ)。
隨著穿越者壹號（CYZ1）載人飛船對主動防熱技術(shù)的應(yīng)用，或?qū)⑶藙尤f億級太空旅游市場，推動太空產(chǎn)業(yè)進入指數(shù)增長新周期。
以人為本，穿越者堅持用烏龜精神追趕國際尖端科技
據(jù)悉，后續(xù)穿越者計劃在2026年進行國內(nèi)首次全尺寸載人飛船亞軌道無人飛行試驗，并將此次試驗的主動防熱技術(shù)進行局部搭載飛行驗證，這或許將是國內(nèi)首次將主動防熱技術(shù)應(yīng)用在載人飛行器上。這不僅是技術(shù)又一次驗證，更是打造“會呼吸的”載人飛船的歷史性時刻。在此之前，穿越者會繼續(xù)針對飛船返回艙再入過程中艙體受熱最嚴(yán)重的部位，優(yōu)化設(shè)計船載主動防熱系統(tǒng)，實現(xiàn)最低的系統(tǒng)重量達到最大的防熱效果，并進行相關(guān)的地面驗證試驗。
穿越者創(chuàng)始人雷詩情介紹到，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、價格更可愛。此次主動防熱試驗正是以此設(shè)計原則和指導(dǎo)思想進行的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，打破傳統(tǒng)方案，以創(chuàng)新的方式、更低的成本達到更強力的功效。
“對齊國際先進，中國商業(yè)載人航天不僅能追趕，更擅長突破！這次試驗也標(biāo)志著穿越者正用東方智慧為載人飛船賦予生命有機感，打造‘會呼吸’的載人飛船，開啟從被動式載人飛船向‘主動式載人飛船’升級的新時代。當(dāng)前中美商業(yè)航天的對比，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’追趕國際先進?！崩自娗槿缡钦f。
期待，當(dāng)穿越者壹號（CYZ1）載人飛船從亞軌道俯沖而下，其表面躍動的藍色氣膜如同地球生命的能量場，在漆黑太空中劃出一道璀璨航跡。
【實驗室簡介】
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，并針對航天、航空領(lǐng)域定制開發(fā)特需裝備。長期以來，勤合科技用產(chǎn)品說話，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所等機構(gòu)。經(jīng)過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。
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