北京
10月30日，神舟十九號順利升空；11月4日，神舟十八號安全返回。
神舟十八、十九號 的“一上一下”，牽動著無數人的心。
眼看神舟十八號安全落地，一直關注這件事的大家也都松了一口氣。
不過黑漆漆的十八號返回艙還是讓不少人產生了疑問，同樣都經歷了空氣摩擦，為何十九號升空時外表沒有變化，而十八號卻跟火燒了一樣呢？
兩者不同的變化，背后到底有著怎樣的科研秘密呢？
冰火兩重天：航天器出入大氣層的生死考驗
10月30日，神舟十九號載著三名航天員，在長征二號F運載火箭的推動下，從酒泉衛星發射中心騰空而起，火箭尾部噴出的火焰照亮了戈壁灘的夜晚。
然而，隨著火箭不斷加速，向上攀升，火焰逐漸消失，火箭外殼并沒有出現明顯的燒灼痕跡。
11月4日凌晨，神舟十八號載人飛船返回艙劃破夜空，拖著長長的尾焰，在東風著陸場安全著陸。
然而，與發射時的光鮮亮麗不同，返回艙的外殼已被燒得漆黑一片，面目全非。
這兩種截然不同的景象，揭示了航天器出入大氣層所面臨的兩種截然不同的挑戰。
火箭發射時，速度是從靜止開始慢慢提升的。
雖然火箭發動機噴出的火焰溫度極高，但火箭在穿越大氣層的過程中，速度相對較慢，空氣密度也隨著高度的增加而逐漸降低。
火箭外殼和空氣摩擦產生的熱量不多，不會明顯燒灼。
而返回階段則完全不同。
飛船的返回艙以接近7.9公里每秒的速度沖入大氣層。
這就像一顆高速飛行的子彈撞擊到厚厚的鋼板，巨大的動能轉化為熱能，使返回艙表面溫度急劇升高，局部可達1000℃以上。
如果沒有好的防熱措施，返回艙會被高溫燒毀，航天員也可能遇到生命危險。
傳統防熱技術的“負重前行”
數十載以來，科學家始終致力于優化防熱技術，旨在化解航天器返回時所面臨的高溫灼燒之困。
早期的載人飛船，如美國的“水星”號和“雙子座”號，以及蘇聯的“東方”號和“上升”號，都采用了燒蝕式防熱材料。
這種材料于高溫下可分解或化為氣體，大量熱量隨之被帶走，以此確保返回艙內部不至過熱。
雖然這種傳統的防熱方法經過了多次驗證，但還是有些明顯的缺點。
燒蝕材料很重，會增加飛船的總重量，從而減少有效載荷。
這意味著，若要運載同等數量的物資或航天員，就得采用更大、動力更強的火箭，無疑會致使發射成本提升。
燒蝕材料用一次就報廢了，不能回收再用，這樣會增加航天任務的費用。
在航天領域，“降本增效”一直是科學家們追求的目標。
如何找到一種更輕、更經濟、更靈活的防熱方案，成為了航天技術發展亟待解決的難題。
充氣式防熱罩：航天防熱的“降維打擊”
為突破傳統防熱技術之局限，科學家們著力探索全新的防熱手段，力求實現技術的革新與進步。
充氣式防熱罩被認為是個很有潛力的選擇。
這種技術仿若為返回艙披上“充氣外衣”，當返回大氣層，防熱罩自動膨脹，化作巨大“保護傘”，將返回艙嚴密裹住，有力抵御高溫侵襲。
充氣式防熱罩的主要材料是輕質的柔性材料，相比傳統的燒蝕材料和隔熱層，其重量大幅降低。
這樣可以大大減輕返回艙的重量，讓火箭能攜帶更多的貨物，同時降低發射費用。
充氣式防熱罩的制造成本相對較低，而且理論上可以重復使用，進一步降低了航天任務的開銷。
充氣式防熱罩很靈活，可以根據需求調整大小和形狀，擴展性很強。
這樣，飛船設計師可以根據不同的任務需求，自由調整返回艙的大小和形狀，不再局限于傳統的鐘型設計。
安全性方面，充氣式防熱罩展開后，能增加空氣阻力，幫助返回艙更好地減速，這樣就減少了對反推發動機的依賴，從而減輕了重量和成本。
從概念到現實：充氣式防熱罩的研發之路
充氣式防熱罩的概念并非憑空而來。
在美蘇太空競賽的時候，科學家們就開始研究這項技術的潛力了。
美國在航天飛機項目里試過用充氣式防熱罩，想通過它的輕便和可重復使用特點來減少航天飛機的運營成本。
雖然航天飛機項目最終結束了，但它在充氣式防熱罩方面的研究為后來的航天器開發提供了很多有用的經驗。
俄羅斯作為另一個航天大國，也在充氣式防熱罩領域進行了深入的研究和試驗。
他們更加注重技術的實用性和可靠性，并將其應用于一些貨運飛船的返回艙。
然而，由于技術難度較大，充氣式防熱罩在早期的應用中并不十分順利，一些試驗甚至以失敗告終。
進入21世紀，隨著新材料、新技術的不斷涌現，充氣式防熱罩的研發迎來了新的機遇。
各國科學家們開始重新審視這項技術，并投入更多資源進行研究。
中國在充氣式防熱罩技術上有了很大突破。
2020年，中國用長征五號B火箭把新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙送上了天。
盡管官方未披露確切結果，然而此次試驗表明中國于充氣式防熱罩技術層面獲重大進展，亦為后續研究積攢了珍貴經驗。
未來展望：充氣式防熱罩的無限可能
隨著充氣式防熱罩技術的進步，人類探索宇宙有了更多機會。
它不僅可以降低航天任務的成本，提高航天器的安全性，還可以拓展航天器的應用范圍。
采用更為輕盈、安全的充氣式防熱罩，能夠提升載人飛船的運載效能，進而為未來的載人登月及登火使命給予更優的支撐。
充氣式防熱罩可以用于大型空間站艙段的返回，降低空間站的建設和維護成本。
充氣式防熱罩的可重復使用特性，使其成為未來可重復使用航天器的理想選擇，可以大幅降低航天運輸的成本。
當然，充氣式防熱罩技術還有很多問題需要解決。
如何確保防熱罩在高速再入大氣層時能夠可靠地展開和保持穩定，如何提高防熱罩的耐高溫性能，以及如何解決防熱罩的儲存和運輸問題等，都是需要進一步研究和攻克的難題。
結語：探索星辰大海的“輕裝上陣”
從神舟十八號返回艙的焦黑外殼，到未來航天器可能采用的輕盈的充氣式防熱罩，我們看到了航天技術的不斷進步和創新。
未來，隨著充氣式防熱罩技術的不斷成熟和完善，人類在探索宇宙的道路上將會越來越輕松。
參考資料：
中國日報網：《神舟十八號載人飛船返回艙成功著陸》2024-11-04
澎湃新聞：《重磅！長五B火箭首飛成功發射新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙》2020-05-07
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