3月28日，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地面驗證試驗。穿越者團隊創(chuàng)造性地將仿生學原理引入了載人飛船的熱防護領域，通過模擬人體皮膚“毛孔呼吸”機制，在飛船表面設置數萬個微型孔道，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，試驗結果顯示，穿越者主動防熱材料在經受超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%，超過仿真預測的50%閾值，證明了主動防熱技術的有效性及應用在再入飛行器領域的潛力，此外，還突破了載人飛船傳統(tǒng)防熱技術不可復用的瓶頸。
穿越者載人飛船主動防熱試驗現場
此次地面驗證試驗中，穿越者所采用的主動防熱技術基本原理與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)復雜流場分析與設計技術、陣列微孔成型與防隔熱-承力結構一體化技術，也意味著穿越者載人飛船有望先于星艦應用主動防熱技術，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構成本。
條紋狀瓦片為星艦第七飛中使用的主動防熱瓦
中國載人航天器力學、防熱及試驗領域專家，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鍵技術挑戰(zhàn)之一，主動防熱技術是一種全新的熱防護理念，打破了傳統(tǒng)被動防熱技術不可復用的局限，通過主動冷卻的方式實現熱防護系統(tǒng)的熱量排散。穿越者團隊通過仿生學與工程學的深度融合，實現了防熱系統(tǒng)成本大幅降低，能有效提高飛船的可靠性和可重復使用性。穿越者對齊SpaceX星艦，團隊在技術創(chuàng)新方面的突破為中國商業(yè)載人航天注入了新的技術活力，這不僅是我國商業(yè)航天領域首次進行主動防熱技術驗證試驗，也標志著我國載人航天可復用防熱技術進入了國際領先。從被動式載人飛船設計向“主動式載人飛船”設計的升級，更是一場商業(yè)航天技術發(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實?！?/p>
01
技術突破，打造“會呼吸”的載人飛船
當飛船高速（如7-8 km/s）再入大氣層時，前方空氣被劇烈壓縮形成激波，導致氣體分子動能轉化為熱能，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材料。為了承受飛船再入而面臨的高溫嚴酷環(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)、升華等多種化學反應，犧牲部分材料質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、力學性能差、不可重復使用等特點，難以滿足商業(yè)載人飛船可重復使用、低成本運營的需求。
作為國內首家商業(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上，吸收國內外各領域技術突破，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”，通過航天毛孔控制冷卻工質滲透速率，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
02
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，未做防熱技術處理的不銹鋼材料，當所遇溫度超過1500°C后，抗拉強度和屈服強度會迅速下降，甚至發(fā)生結構解體，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建出智能微孔陣列，向外輸送冷卻工質，通過自主調節(jié)氣壓力和流量，使得冷卻工質與來流相互作用，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鍵點位溫度。實際飛行中，當飛船遭遇高溫環(huán)境時，無數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節(jié)氣膜密度，實現熱防護系統(tǒng)的智能化響應，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。
試驗結果表明，當穿越者主動防熱材料在連續(xù)2小時經受超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，且未出現熔融、軟化等現象，有效驗證了主動防熱技術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的效果，穿越者技術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。結果顯示，未采用主動防熱技術的不銹鋼試驗件在高溫煅燒下最高溫度可達1200℃以上，試驗件表面出現了明顯的高溫氧化燒蝕現象，而采用主動防熱技術的試驗件則未出現明顯氧化現象，表面保持了良好的光潔度。
03
專家解讀，主動防熱技術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，經歷時長超過兩小時
關于試驗的難度，專家指出，首先是主動熱防護系統(tǒng)復雜流場分析與方案設計技術，主動防熱形成的陣列微孔流動結構本身非常復雜，而對于高超聲速流動，激波層很薄，氣膜與邊界層產生黏性干擾，高溫空氣導致強烈的化學反應及電離效應，而射流又會使得流動結構更加復雜，這些復雜因素對主動防熱冷卻效率的影響非常大。如何通過優(yōu)化冷卻結構及射流參數，實現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，主動防熱技術需要在材料表面加工成型一定數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計加工需要結合飛行器基本構型特征，對防熱結構一體化設計成型提出了更高的要求。
“根據試驗數據，此次試驗主要有三大突破?！毕驑浼t解析道。
(1)冷卻效率超預期：連續(xù)2小時經受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，且未出現熔融、軟化等現象，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，單位面積內穿越者主動防熱技術降低成本超過50%，為商業(yè)化運營奠定基礎。
隨著穿越者壹號（CYZ1）載人飛船對主動防熱技術的應用，或將撬動萬億級太空旅游市場，推動太空產業(yè)進入指數增長新周期。
04
以人為本，穿越者堅持用烏龜精神追趕國際尖端科技
后續(xù)穿越者計劃在2026年進行國內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進行局部搭載飛行驗證，這或許將是國內首次將主動防熱技術應用在載人飛行器上。這不僅是技術又一次驗證，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重的部位，優(yōu)化設計船載主動防熱系統(tǒng)，實現最低的系統(tǒng)重量達到最大的防熱效果，并進行相關的地面驗證試驗。
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計原則和指導思想進行的關鍵技術攻關，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。當前中美商業(yè)航天的對比，恰似馬拉松中的追趕者與領跑者，穿越者將繼續(xù)以龜兔賽跑的‘烏龜精神’追趕國際先進。”雷詩情如是說。
當穿越者壹號（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。
感謝
北京勤合科技有限公司提供試驗場地支持！
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發(fā)展核心，并針對航天、航空領域定制開發(fā)特需裝備。長期以來，勤合科技用產品說話，其電弧等離子束、電子槍束、火焰超音速、火焰燃燒器等產品得到了大面積的應用，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。經過10余年的技術積累，勤合科技把電子束、等離子束、火焰束做到行業(yè)領先水平，擁有極端的可靠性和穩(wěn)定性。
注：文章部分內容選自新華社《環(huán)球雜志》。
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