【Po.42】什么是隔热瓦?

合集 · 自制航天科普视频 (59)

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Description
在电影闪电侠中,主角巴里在获得神速力的早期遇到了一个令人尴尬的问题:在高速移动时,身体与空气摩擦产生的高温会使衣服燃烧殆尽。一次性的战衣,不仅不环保,更有可能让闪电侠成为光腚英雄。所以电影里很快给他安排了技术升级,不仅提高了战衣的设计与款式,更重要的是提高了战衣的隔热能力。
	虽然这只是超级英雄电影中的一个趣谈,但其中蕴含着非常重要的科学原理:在空气中速度越快,表面温度越高! 与闪电侠相似的是,航天器返回地球时的速度在7.9千米每秒左右。如果是从月球返回地球,则再入速度可以达到11千米每秒,以这样高的速度进入大气,快速的摩擦与挤压会导致表面温度最高能达到1800摄氏度左右,为了保证货物和人员的安全,所以航天器也需要一件隔热战衣。
	为航天器打造一件合适的战衣并不容易,不仅仅需要考虑到隔热效果,更要考虑材料的密度、韧性、导热性等物理性能。这里我们需要特别注意的是,隔热和耐热的区别,很多材料能够保证其高温下的稳定性,但它很容易把热量传导出去。这样的材料就是耐热不隔热,如果航天器的隔热瓦用这种材料,很容易造成降落后形状完好,但是里面的物资都被闷熟了的情况,所以星舰上的六边形瓦片被称为隔热瓦。隔热瓦材料自身的性能要好,但也要考虑到成本和量产难度,虽然现在实验室中有很多超隔热材料,但都被量产这一步卡了脖子。
	航天器的隔热材料是一步一步进步的,从高温陶瓷到金属基复合材料,再到C/C复合材料(读:碳碳复合材料),每种材料都有各自的优缺点,我们在这里重点提及一下刚性陶瓷隔热瓦,其性能优异隔热效果和热稳定性都很出色,但陶瓷材料特有的脆性大大限制了它的发展。2003年美国哥伦比亚航天飞机再入大气层时解体,便是因为其陶瓷隔热瓦碎裂脱落导致的。目前最先进、应用最广泛的就是树脂基复合材料,其中的明星类别就是PICA--酚醛树脂浸渍碳基复合材料。PICA最早是由NASA的Ames(读作:艾姆斯)研究所开发,并应用在火星探测登陆舱、航天飞船的防热部位。具有低密度、耐高温、低热导率、低烧蚀量和高热阻塞效应的特点。低热导率和高热阻塞效应是PICA材料的突出性能优点。当PICA表面温达到较高温度时,其内部也能保持较低温度。在实验中表面温度达到2760℃,其距离表面1.22cm处的温度最高峰才达到983℃。高热阻塞效应是指PICA材料在高温下烧蚀产生热解气体,这些气体在材料表面形成一层隔热层,有效地阻挡了热量向材料内部的传递,同时PICA材料在高温下烧蚀后表面完整光滑,不会产生明显的剥离现象。这些优点使得PICA不仅能为从低地轨道再入大气层的飞行器提供热防护,还满足从月球或其他星球直接再入大气层的返回舱的热防护需求。
	星舰上所采用的隔热瓦也是PICA材料,SpaceX在2006-2010年为可重复使用的龙飞船开发了新型的PICA材料,命名为PICA-X(这家公司真的太喜欢X这个字母了,星舰舰体采用的自研不锈钢材料就被命名为30X)。这一新材料是在PICA基础上改进而成,且更易生产。2010年12月8日,PICA-X热防护罩的第一次再入测试于Dragon Crew1任务中进行。PICA-X的制造成本仅有PICA成本的1/10,目前也被应用于星舰的热防护上。
随着科技的不断进步,隔热瓦的材料会越来越轻薄,越来越便宜,这不仅仅有利用我们仰望星空,也有助于我们脚踏实地。从更轻更薄的隔热手套,甚至到保暖的房子,未来的生活值得我们去想象。

Comments

ATMHUFK 2025-05-27

你是否在寻找

♥ 84 ↩ 2

傅普拉叶_Z 2025-05-27

隔热瓦一定要隔热!

♥ 70 ↩ 4

ackwei9 2025-05-27

首飞星舰隔热瓦的结构

♥ 46 ↩ 2

泥移 2025-05-27

烧蚀材料不行吗,发一次涂一次呗[笑哭]

♥ 44 ↩ 7

Emilia不吃芝士汉堡 2025-05-27

左边是s24的,右边是sts-1从哥伦比亚号上弄下来的[doge]

♥ 43

别跟我谈几率 2025-05-27

这视频是否意味着明天的v2隔热瓦会表现完美,甚至能在扛一次[doge]

♥ 28 ↩ 6

唐王海峰君 2025-05-27

星舰上的隔热瓦能国产吗?[doge]可以降到多少钱1平方?要是可以用到房车上就好了[doge]

♥ 14 ↩ 40

MisakiMei酱 2025-06-11

我当年化学教授就是开发这玩意的,这玩意不是单纯的散发气体,而且涉及离子反应,通过电位跃迁的能量变化,实现吸能隔热,所以没错,是有寿命的,你看到航天飞机下面斑斑驳驳一大片,就是只有寿命到了才会换掉导致颜色不一样。 教授在航天飞机项目关闭之后被炒了,去大学教化学了,上课专门讲过一节课的这个隔热瓦。

♥ 13

コナンVSルパン 2025-05-27

隔热瓦本质上就是一块“泡沫”,很轻,内部大概率是二氧化碳在超临界下降压形成的气泡和一点点(占比不足1%)的骨架。隔热的重点不在骨架上,而在气泡上。毕竟只要空气不流动,空气本身就是最好的隔热材料,但空气不好超临界,于是就用二氧化碳。 但隔热材料的生产难点永远在“骨架”上。但骨架并不提供热防护。反而骨架可能更容易导热,至少比空气更容易导热。只是没有骨架你无法束缚住空气,不让其进行热对流。

♥ 11 ↩ 1

哒哒拉哒 2025-05-29

所以闪电侠自己跑会烧掉自己衣服,带着人一起跑就毫发无伤,好傲娇的能力哦

♥ 9 ↩ 5

终极理论之梦 2025-05-27

等一下,星舰用的不是TUFROC类似物吗? 虽然也有用TUFI改,LI-900(HRSI)改甚至RCC改的说法,但怎么说也不会是作为烧蚀性材料的PICA吧

♥ 8 ↩ 1

DC很不错诶 2025-05-27

上哪找又关注漫威又关注航天的人啊[星星眼]

♥ 7 ↩ 3

魔法小黄书目录 2025-05-27

星舰用的是pica嘛 我还以为是硅基的材料 但pica理论上不应该是黄棕色的? 也就是酚醛的颜色 怎么做到白色的[笑哭]

♥ 6

-小-鱼-りい 2025-05-27

看成“帕瓦瓦瓦!!!!”了[doge]

♥ 6 ↩ 5

这么多人啊 2025-05-30

真讲科学的话,按这个速度奔跑 光带动的气流对旁边的人就是灾难。

♥ 5

_月小宇_ 2025-05-28

隔热瓦一定要朝向正确的方向! 😭😭😭😭😭😭😭😭😭😭😭 ✍️✍️✍️✍️✍️✍️✍️✍️✍️✍️✍️

♥ 5

Dr匹兹堡装修水电 2025-05-27

好像星舰上的是延续自航天飞机的隔热砖而不是龙飞船上的pica-x?

♥ 5

自由马基雅维里 2025-05-27

瓦们🙏🏻🙏🏻🙏🏻🙏🏻

♥ 5

骑骡子的东木 2025-05-28

你隔热瓦安反了😡

♥ 3