●太空竞赛 材料科学冲破天际

  1955年，美国总统艾森豪威尔宣布，计划发射人造地球卫星，作为对即将到来的国际地球物理年的一大贡献。好了，苏联着急了，随即宣布也将在不久之后发射人造卫星，并且在1957年率先发射升空；紧接着在1961年再次先于美国，将宇航员尤里.加加林送入近地轨道，这也是人类史上第一次的人肉太空探索。

苏联在1957年10月4日发射的人造地球卫星Sputnik号 引发了美苏间真金白银的太空竞赛

  这是一个很关键的节点，随后美国和苏联相继多次输送宇航员进入太空，以及后来美国成功登月的阿波罗计划。与发射无人飞船和卫星不同，载人航天需要考虑重要的返航问题，并不是发射上天就完事儿了，那么返航时飞行器撞击空气产生激波以及摩擦，产生热量造成几千上万摄氏度的高温，就需要一种材料来防护航天飞行器。

美国猎户座飞船返回进入大气下降过程的渲染图

  可返回的太空飞船，都使用烧蚀防护材料来解决从外太空返回大气层后的高温问题，这些烧蚀材料包括碳酚醛材料、洛克希德马丁公司研制的超轻烧蚀材料SLA-561V、美国航空航天局艾姆斯研究中心专利所有的酚醛浸染碳纤维PICA、SpaceX研发的改进版酚醛浸染碳纤维PICA-X、硅脂浸染复用陶瓷SIRCA、玻璃填充环氧酚醛材料AVCOAT等等。

阿波罗12号飞船返回舱着陆后经过烧蚀的防护层

经过烧蚀测试之后的洛马SLA-561V防护材料

在NASA艾姆斯研究中心 PICA-X材料正在进行高温烧蚀测试

  烧蚀材料的应用源于陨石的研究，尽管落到地面的陨石外表已经烧焦得面目全非，但是内部构造和成分却没有发生变化。它的具体原理我们不做过多阐述，有兴趣的读者搜索“烧蚀”“激波”可以了解基本的烧蚀防护原理。

在纳米比亚发现的已知最大陨石——霍巴陨石 穿过大气层到达地球表面 重达60吨

  烧蚀阶段之后，在飞船返回过程中会出现烧蚀材料失效的情况，所有的烧蚀材料都有这个阶段，这时温度仍然很高，但是烧蚀材料已经不能防护而开始传导热量。这时就轮到LI-900上场——一种由纯石英玻璃纤维构成的、中间填充94%体积空气的防护瓦片。这种材料的隔热性能有多惊人呢？他可以加热到1024摄氏度，再立刻浸入冷水中而不出现任何破损；它在一侧700多摄氏度加热的情况下，另一侧保持仅仅人体触感的温热。

LI-900材料的小盒子 里面火焰燃烧的时候外面仍然可以手持

用在航天飞机上的黑色LI-900防护瓦片

  而在航天飞机的机头盖帽、机翼前缘上，更多地使用了强化碳碳复合材料RCC取代金属，以承受最高达到1510摄氏度的返回温度。并且，它有出色的抗疲劳载荷，适于航天飞机多次起飞和返回的设计场景。强化碳碳复合材料和金属相比耐热性和耐腐蚀性更好、质量更轻，和石墨相比强度和韧性更高，和陶瓷相比韧性更好并且容易加工。

航天飞机上面的热防护材料分布 RCC材料主要用在鼻帽和机翼前缘

  不过，强化碳碳材料的一大缺点就是抗冲击性差，在2003年举世震惊的哥伦比亚号航天飞机空难就是因为机翼的RCC板在发射时被泡沫碎片击中，导致返回时局部失去隔热防护效果，从而引起机翼由于内部温度过高而失效，整机失控在空中解体。现在，比强化碳碳RCC性能更优异的材料已经在研发中。

左边是哥伦比亚号最后一次的飞行任务徽章和代号STS-107 右边是位于美国艾灵顿国家公墓的全体机组人员纪念碑 哥伦比亚号空难正是由于设计者对RCC材料的性能估计不足导致

  在稍微低一些的温度时，Nomex毛毡覆盖了机翼上表面、载重舱门、姿态控制系统和机身后部，来抵抗371摄氏度以下的返回温度。这种材料也是可以重复使用的。

NOMEX毯子形成航天飞机外层的热防护层

  美国在航天飞机上多次往返的设计，引发了大量新材料的研究和应用。相比单次往返的飞行器，航天飞机首先不能用高温合金材料，尽管这种材料热辐射性能好但是密度太大；其次它也不适用烧蚀材料，因为这种材料同样密度很大，并且发射和返回过程中的烧蚀引起表面破损，影响飞机气动性能；航天飞机的表面积很大，需要更多可重复使用的隔热材料，材料的轻量化就变得非常关键。不过哥伦比亚号空难给航天飞机蒙上一层阴影，事实证明新材料仍然需要在飞机返航着陆后进行检查和修复，确保每一块防护面板的完整和安全，而并非像设计之初那样一劳永逸，这是后话。

亚特兰蒂斯号返回后 工作人员仔细检查底部的热防护瓦

  尽管冷战消耗了当时世界上最强的两个国家、或者说联盟的大量经济和物力，我们还是不能否定双方的竞争留下了大量的科技遗产，太空竞赛对材料科学的推动就是一个很好的例子。本页中呈现的隔热防护材料仅仅是航天器应用众多材料的冰山一角，包括金属与合金、有机非金属材料、复合材料、推进剂、润滑剂、液压油等多种新材料得以验证在极端条件下应用的可能，这些材料的研究和测试给民用的探险、救援、加工、制造、赛车多个行业带来飞速的发展。

  既然提到了Nomex这种热防护材料，就不得不提到它的直系亲属凯夫拉（Kevlar），以及它们的诞生地——美国杜邦公司。