下一站，火星（下）

原標題：下一站，火星（下）

書接上回，SpaceX一直都在兜售他的「火星大夢」，說是一回事兒，但想要真正的平安登陸火星，沒點兒黑科技儲備還真是不行，那到底SpaceX還擁有哪些「火星技術」呢？今天咱們就來聊聊其中一項，本文作者SaturnV。

上期鏈接：下一站，火星（上）

常言道上山容易下山難，這對於太空載具來說更是如此。SpaceX之所以稱作太空探索技術公司，而不是和某U開頭的航天公司那樣稱作發射公司，最大的區別便是SpaceX不僅可以把物體送入太空，還可把物體從太空接回來，畢竟不到火星地表不能說對火星殖民。而這一區別的最直接體現正是SpaceX的龍飛船，馬斯克曾說過SpaceX能有今天離不開NASA的資助，而NASA的研發資金又來源於龍飛船對國際空間站的CRS貨運任務以及未來龍2飛船的載人任務。如果說獵鷹9火箭是SpaceX現階段的支柱，那麼現階段為實現火星殖民目標的核心便是龍飛船。

Dragon龍飛船是現役唯一可重複使用宇宙飛船，亦是太空梭軌道器退役後全世界唯一一款能把貨物送回地面的宇宙飛船。正如獵鷹9第一級回收理念誕生時諸多專家的不屑，復用飛船理念誕生時也同樣遭到了無數質疑。一直有惡趣味的馬斯克於是取了1960年代活躍在美國樂壇的一支三重唱組合「彼得、保羅和瑪麗」的成名曲，「魔法龍帕夫」的名字命名飛船，「你們不是認為我的航天計劃不可能嘛，那我就用出名但不存在的生物龍來命名！」顯然和以星球大戰中最快的宇宙飛船「千年鷹」（Millennium Falcon）來命名SpaceX火箭不同，龍飛船的得名充滿了反諷的氣息。而更為惡趣味的是龍飛船2010年12月8日的首次測試飛行時的唯一載荷，是一大塊圓形乳酪。。。。。。

Say Cheese!

按照SpaceX官方的說法，乳酪是「致敬」的英國著名喜劇連續劇「蒙提?派森的飛行馬戲團」第33集中的乳酪店，值得一提的是現代三大編程語言中的Python，便是因為Python的作者吉多?范羅蘇姆特別喜歡《蒙提?派森飛行馬戲團》（Monty Python"s Flying Circus）而得名。不過在其他人看來，這塊乳酪絕對是馬斯克的嘲諷，因為乳酪（Cheese）是西方文化中拍照前一起喊的詞，也是中國拍照前「茄子」的來源，「你們不是一直認為龍飛船不可能嘛，現在輪到你們說Cheese（拍照）了。」其實在SpaceX公布龍飛船復用方案後各路專家對其表示的懷疑和質疑也並非完全空穴來風，畢竟太空梭軌道器高昂的維修保養費用仍歷歷在目。而造成太空梭發射成本居高不下，乃止高過一次性飛船的根本原因，還要回到宇宙飛船「下山」的難題上。

STS-135謝幕演出

從實際拍攝的航天器再入大氣時的照片中能看出，航天器被一層像火一樣的東西包裹著，其實這並不是火，而是和火一樣的等離子體。以太空梭軌道器為例，其在大約400千米的高度時相對地錶速度為27680千米每小時，及一秒7.6千米。若要降落到地表，高度帶來的勢能和動能根據能量守恆定律必須全部以另一種方式釋放，也就是大氣摩擦產生的熱能。而當巨大的能量在極短的時間內注入氣體時會直接電離氣體分子產生等離子體，導電且高溫的等離子體會把軌道器整體加熱到超過1000 °C，而在氣壓最大的機翼前端和機鼻處溫度可達1650 °C，足以瞬間融化沒有隔熱保護的鋁合金機身。既然如此用不導熱的材料來保護不就行了？嘛，其實要複雜一些，因為所選材料不僅要面對極端的高溫，還要面對從真空到高溫的極端溫差。

如公式所示，導熱係數k和比熱容C成正比。導熱係數低的材料，比如泡沫塑料(k=0.02 W/mK)，雖不怎麼傳導熱量但材料自身所能吸收的熱量也低(C=1.3 kJ/kgK)，在極端高溫下會迅速熱量飽和失去隔熱作用。而若使用比熱容高的材料，比如冰(C=4.18 kJ/kgK)，雖能吸收大量熱量但材料的導熱係數也高（k=1.6W/mK），在極端溫差下熱量會迅速穿過材料，依然無法起到隔熱作用。某種意義上來說再入航天器的隔熱材料，就是在導熱係數和比熱容之間尋找一個絕佳的平衡。當然為滿足k儘可能小但C儘可能大，平均自由程（λ）和聲子速度（v）也要儘可能小。

面對此難題，太空梭軌道器的解決方案是採用兩套不同的材料來完成對機體的隔熱保護。上圖深藍色部分採用硼硅酸鹽玻璃燒蝕瓦片而成，此種隔熱瓦導熱係數極低，因此再入時能承受至少1260°C的高溫。同時為彌補玻璃的低比熱容隔熱瓦呈全黑色，發射率超過0.8，也就是說絕大多數吸收的熱量都以熱輻射的形式釋放，避免隔熱瓦過早熱量飽和。在上圖棕色部分，軌道器採用強化碳-碳複合材料以承受至少1650°C的高溫。和隔熱瓦一樣強化碳-碳複合材料有著極高的發射率，但和隔熱瓦不同強化碳-碳複合材料的導熱係數偏高，熱量會被大量吸收後快速傳導分散到溫度較低的上層機翼和導熱係數低的機身前端隔熱瓦上。同時機翼前端內的空隙使導熱係數低的空氣可阻隔熱量直接傳導至鋁合金機身，輔助強化碳-碳複合材料分散機翼前段和機鼻的熱量。

硼硅酸鹽玻璃隔熱瓦設計

強化碳-碳複合材料中空設計

哪怕以現在的眼光來看，這兩款在1980年代專門針對軌道器研發的隔熱材料也是工程學上的奇蹟。不過這並不意味著高溫隔熱瓦和強化碳-碳複合材料便是最佳的選擇，最直接的問題便是強化碳-碳複合材料密度偏大（1.98g/ml），且為保證高導熱性，軌道器兩翼上的強化碳-碳複合材料最薄處僅6.4毫米最厚處也僅12.7毫米，很容易在外力作用下破損，事實上哥倫比亞號太空梭的事故直接證明了這一缺點。另一方面雖然隔熱瓦可以重複使用，但較脆的隔熱瓦需要一片一片用膠水粘在機身上，以避免機身因熱脹冷縮而和隔熱瓦分離。為確保比熱容低的隔熱瓦沒有在再入時熱量飽和，軌道器上超過24000片隔熱瓦都要在返回後檢查，並更換已飽和失效的瓦片。這也是為何從照片上看軌道器底部黑灰色不一的原因，越黑的瓦片越新，越灰的則越舊。

每一片邊長15.2厘米的正方形隔熱瓦造價達1000美金，而安裝每一平方英尺（約929平方厘米）的隔熱瓦則還需要10000美金，再加上檢查兩萬餘片隔熱瓦和22片強化碳-碳複合材料的耗資，這些無形中的價格負擔最終造就了太空梭平均每次發射將近4億5千萬美金的價格。若不能在隔熱材料方面有所進步，那計劃重複使用的龍飛船也只會重蹈太空梭軌道器的覆轍。

「好奇號」隔熱罩等比模型測試

哪怕不從經濟的角度而從登陸火星的角度考慮，SpaceX也必須要使用新的隔熱材料。以「好奇號」火星車為例，儘管進入火星大氣的速度5.9千米/秒略低於地球再入速度，但火星獨特的大氣成分和為精確降落的迎角軌道讓「好奇號」要承受最高2100°C的高溫，遠高於太空梭軌道器所使用材料的極限。而飛船越大氣動阻力也越大，摩擦產生的熱量也越多，未來的大型火星登陸飛船勢必要承受比直徑僅4.5米的「好奇號」還要高的溫度。

PICA測試

NASA的資深隔熱材料專家Dan Rasky恐怕永遠也不會忘記2008年和馬斯克的一次會議。當馬斯克詢問Dan，在他看來剛剛接到NASA「商業補給合同」研發貨運飛船的SpaceX，應該採用什麼隔熱材料時，Dan推薦了自己參與研發的PICA隔熱材料，並建議和NASA阿姆斯研究中心合作以保證SpaceX可自產PICA。出乎Dan以及參會所有人員的預料，這個一般在NASA需要經過數次討論，數次會議以及數次評估後才會做出的重要決定，馬斯克在一次會議便搞定了。SpaceX不僅要使用人類航天史以來研發過的最耐熱的防護材料，還要自己生產改進完善PICA。

PICA微觀構造

PICA是英文Phenolic Impregnated Carbon Ablator的首字母簡寫，即酚醛浸漬碳燒蝕材料，是NASA阿姆斯研究中心為航天器從深空返回而研發的高性能燒蝕隔熱材料，可謂是阿姆斯研究中心幾十年科研的積累結晶。首先PICA的密度僅有0.27g/cm，同樣厚度的PICA所佔飛船整體質量非常小。在具體燒蝕特性上，PICA有點類似太空梭軌道器兩種材料的優勢結晶，高導熱係數的酚醛樹脂(k=393W/mK)充當低導熱係數碳纖維(k=21W/mK)的粘合填充物，使PICA微觀上呈多孔結構。當PICA被高溫氣體快速加熱時，高比熱容的酚醛樹脂在高壓高溫下迅速升華成氣體，吸走熱量同時在微觀上改變PICA的構造。沒有了填充物的碳纖維重新組合成新的碳基質，由於碳基質的碳分子比碳纖維更加緊密，PICA表面會形成一層導熱係數極低的燒蝕層，隔絕熱量進一步深入。當表面的燒蝕層被氣體氧化後，內層的PICA再重複上述過程，直到飛船完成減速或隔熱層全部燒蝕氧化完。PICA甚至在阿姆斯研究中心的測試中短暫承受了7000°C，4.9千米/秒的高溫高壓氣體灼燒，這一溫度甚至比太陽表面還要高1500°C。

PICA燒蝕示意圖

正是因為如此出色的隔熱性能，PICA被選為星塵號彗星探測器返回艙的底部隔熱材料，並創下了有史以來最快再入地球大氣的飛行速度。2006年1月5日星塵號返回艙以13千米/秒的速度再入，打破了阿波羅10號之前保持的11.08千米/秒紀錄，星塵號返回艙再入時底層表面最高溫度達2900°C，據說猶他州西部和內華達州東部都可肉眼觀測到巨大的火球。不出意外，PICA隨後被選為「好奇號」的底部隔熱材料，並同樣完美地抵擋了火星大氣的摩擦熱量。不過值得注意的是，馬斯克在2008年決定龍飛船使用PICA時「好奇號」還沒有決定使用PICA，也就是說馬斯克憑藉星塵號的成功案例提前判定PICA有能力勝任火星降落隔熱，並在4年後得到「好奇號」的證明。那比NASA要快幾個級別的選擇速度並非馬斯克一拍大腦的衝動決定，相反是在身為半個「外行」的基礎上獲取更多他人不關注的信息後做出的果斷決定。

龍飛船隔熱罩（上）和「好奇號」隔熱罩（下），相似度爆表

龍飛船使用的PICA-X，是SpaceX在原PICA材料上進一步改進的結果。儘管沒有官方證明，但X（羅馬數字10）普遍認為是生產價格的象徵，PICA-X的造價只有PICA的十分之一，這要歸功於SpaceX買入所有PICA生產技術自行生產，以及龍飛船的需求量讓PICA-X產量上漲後單價降低。在結構上PICA-X將PICA的一體式製造改進為瓦片式製造，使用多片PICA-X瓦片可拼接覆蓋更大面積，此改進同樣為「好奇號」的PICA隔熱罩所用，可謂NASA和SpaceX互幫互助的又一典型例子。龍飛船使用大約8厘米厚的PICA-X隔熱瓦，在經歷比太空梭軌道器還要高的1850°C再入高溫後，僅燒蝕不到1厘米，PICA-X是一款真真正正的可重複使用航天隔熱材料。出於海水腐蝕的安全考慮，第一艘復用的CRS-11龍飛船並沒有復用之前CRS-4的PICA-X隔熱瓦，不過鑒於NASA從最早不願意使用二手獵鷹9火箭到現在口嫌體正直的同意使用，龍飛船和龍2飛船復用PICA-X隔熱瓦或許只是時間問題。

不過對於SpaceX來說，PICA-X帶來的最大收益不是復用，而是廠內自行生產讓SpaceX可根據實際飛船需求進一步改進PICA-X，為繞月返回的龍2，乃至未來登陸火星的BFR宇宙飛船做好準備。下一站，火星，需要的不僅是宏偉的規劃，還是每個看得見和看不見的細節完善，以半個世紀以來人類航天科技的諸多技術成果和經驗教訓，來達成火星殖民的目標。從第一艘龍飛船進入太空並成功返回那一刻起，這條諸多人眼裡飛不起來的「龍」便已經為SpaceX踏出了最終火星殖民目標的第一步。而那時喊「乳酪」的人，又有多少看到了這不起眼的一步呢？

（全文完）

（主頁君補充一句，上期提到的首飛載荷跑車是不登陸的，所以這一期裡面的PICA-X並非用於下個月的重型獵鷹首飛，而是為未來的載人龍飛船和BFS所使用）

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