飛船如何在高溫中保命
宇宙飛船進出地球大氣層是非常危險的，高速運動的飛船會與空氣劇烈摩擦，產生的熱量會讓普通的隔熱材料灰飛煙滅。那麼——
熱浪
幾千度，看你飛船怎麼度！
地球大氣層忠實地履行著保護地球的責任，通過摩擦作用，試圖把任何侵入的星體燒成灰燼。但忠實的大氣層也同時帶給我們巨大的麻煩，我們需要想盡辦法避免進出大氣層的飛船被大氣摩擦熱燒毀。
據計算，高速返航的飛船與大氣摩擦產生的熱量，如果沒有別的因素影響，足以把空氣加熱到2.7萬攝氏度！如果飛船處於這種高溫下，早就分解得無影無蹤了。幸而，空氣在幾千攝氏度的溫度下，就會分解成原子或離子，發生的一連串的化學反應會吸走80%以上的熱量，從而能夠使本來會被加熱到2萬多攝氏度的空氣，最後只是達到幾千攝氏度的溫度。但這個溫度也與太陽表面的溫度差不多，飛船照樣受不了。幸好，高溫只是集中在飛船的前端——與大氣摩擦最劇烈的部位，而且飛船在大氣層中飛行的時間也就是15分鐘左右。只要想辦法在15分鐘的時間裡把飛船的前端保護好就行了。
那麼宇航專家想到了什麼辦法來保護宇宙飛船呢？
金蟬
脫殼第一計
宇航專家使用的最普遍的方法竟然是受隕石的啟發而發明出來的。落到地面上的隕石同樣經歷過大氣層的殘酷摩擦和炙烤，為什麼會倖存下來？而且很多隕石中含有的幾百攝氏度下就會分解的物質也保存得完好。難道隕石自己有特殊的保護措施？
其實隕石並沒有什麼特殊的，它在穿越大氣層時，也是會因高溫而表面熔解、揮發、甚至燃燒起來，並發生許多化學反應而分解。只是隕石的「策略」就是以犧牲外層物質為代價的，外層的分解會吸走大量的熱量，而且分解產生的氣體會形成保護層，保護倖存的隕石體免受高溫空氣的炙烤。這樣，真正傳入隕石內部的熱量很少，因此隕石以及隕石內部的脆弱物質才能夠倖存下來。
看來物質的分解會吸收大量的熱量，這是一個好辦法，我們也可以在飛船的前端包上一層可以在高溫下分解並吸收大量熱量的物質，這樣，外界物質的分解不就保護了內部的飛船嗎？
經過試驗，科學家發現，用添加了玻璃纖維的塑料作為分解吸熱材料最合適。這種塑料有足夠的韌性和強度，包在飛船外面不會被氣流衝擊帶走。隨著溫度的急劇上升，塑料在200多攝氏度就會因受熱而分解，放出氫氣、一氧化碳和碳氫化合物。若溫度繼續升高，玻璃纖維也會熔解蒸發，並與碳反應生成氣態的碳化硅；分解出的氣體也會繼續分解成更小分子的氣體而繼續吸收大量的熱量。這些氣體在離開材料表面時又會帶走大量的熱量。逸散到高溫空氣中的氣體還會以繼續分解成原子而吸收大量的熱量。
不僅如此，材料剝脫分解出的氣體，本身就具有與飛船同樣的速度，不會對飛船有什麼摩擦，因此這些氣體會在飛船周圍形成空氣層，阻礙大氣層對飛船的直接摩擦，也阻礙了周圍的高溫空氣接近飛船。
總之，這種材料剝脫的熱保護方式不僅能吸走大量的熱量，還會減少大氣層對飛船的摩擦，因此能夠很有效地保護飛船「渡過難關」，從而成為宇航專家首選的熱保護方式。
李代
桃僵第二計
在材料剝脫法的基礎上，科學家又發展出了一種更有效的保護飛船的方式：利用液體的揮發和分解來吸熱，保護飛船。
比如，給飛船包上一層有毛細孔的耐高溫金屬板（例如有孔的鎢）。金屬板內部儲放著冷卻劑，冷卻劑可以通過毛細孔，滲透、穿過金屬板而接觸周圍的熱空氣。冷卻劑吸熱蒸發，變成氣體，包圍在飛船周圍，形成保護飛船的保護層。氣體的進一步分解又會吸收熱量，從而讓熱空氣遠離飛船。這等於是飛船付出了冷卻劑，冷卻劑與熱空氣接觸後，變成了飛船的「保護罩」。
這種方式吸收熱量更快，不但能夠非常有效地保護飛船，而且還不會有固體材料剝脫時，造成飛船左右質量不對稱，引起飛船軌道偏離的情況發生。而且細孔金屬板可以重複利用，只要重新充入冷卻劑就可以了。而消耗的冷卻劑既不貴，也不需要費力製備。如果飛船速度不是很快，可以用水作為冷卻劑，如果需要快速降溫，可以用液氦作為冷卻劑。
因此，這種方式被認為是最簡省、最合理又非常有效的熱保護方法。
調虎
離山第三計
上述兩種方法都需要不斷補充熱保護物質，有沒有一勞永逸，又很有效的熱保護方法呢？有一種巧妙的看似異常簡單的管子就可以承擔起這個重任。這種管子叫「熱管」。
不過，在把傳熱的重任交給熱管之前，還需要給飛船包上一層具有強熱輻射能力的材料（例如鎢），薄薄的一層就可以把大部分的熱量反射回去。但少部分熱量還是會透過，進入內部。但就這少量的熱量也足以讓飛船的前端達到上千攝氏度。
之後，就需要熱管及時把這部分熱量排走了。緊貼輻射外殼，布上傳熱異常快速的熱管，熱管延伸到內部的冷卻裝置，或延伸到飛船的尾端，就可以及時把熱量排走。可是熱管到底是怎樣的管子，為什麼能夠快速把熱量「運走」？
熱管的結構很簡單，一根細長的、兩頭封閉、中空的金屬管，管壁上附著一層細密的毛細物質，毛細物質用液體浸濕，所用的液體是液態鈉之類的沸點較高的液體。這就是熱管了，讓熱管的一端處于飛船前端、一端處于飛船的尾端。
位於飛船前端部位的熱管那一端吸熱，液態鈉蒸發氣化，通過中空管流動到另一端，在另一端，氣體鈉冷凝下來，重新變回液態，同時把熱量釋放出來，排到飛船尾端溫度較低的湍動的空氣中或內部的冷卻物質中。之後，液體鈉又通過毛細物質的毛細作用重新被吸回較熱的那一端。這個過程傳遞的熱量非常巨大，一根熱管傳遞的熱量可以達到相同大小的普通金屬棒的幾千倍。因此可以及時把熱量從飛船的前端「運」走。
平時有液體存在的傳熱對流等方式會受到重力的影響，巧妙的是，熱管利用的是毛細物質的毛細作用，在沒有重力的太空中，熱管的能力一點不受影響。
更值得炫耀的是，熱管外觀上只是個封閉的管子，沒有液體暴露在外面，也沒有任何活動的零件，更沒有什麼噪音，非常簡單。只需要把幾根管子固定下來，連接飛船的前端和內部的冷卻裝置，就ok了。它們就會老老實實地把熱量快速「運」走了。
這種安裝了熱輻射表面和熱管的飛船就可以一勞永逸地、一次又一次地穿梭於大氣層，不需要考慮飛船會被高溫燒壞了。
超級連接
超級有用的熱管
熱管除了用於太空飛船上，還有很多其它傳熱方式無法做到的優勢。
熱管內所用的液體可以隨意更換，因此可以用於任何溫度範圍的熱量傳遞，例如，如果把內部的液體換成液態氮，就可以讓熱管在低溫下的環境中高效地傳遞熱量。
熱管的高效傳熱讓電廠最看重，如果把熱管的低溫端與蒸汽發電裝置相連，就可以高效地把原子能、地熱或者其它高溫能量高效地傳遞給發電機發電。
熱管因為內部工作液體的不同，適用於不同的溫度範圍，這種性質可以讓熱管變成熱開關，達到一定溫度時，熱管的傳熱能力就打開了，超過一定溫度，它又關上了。
如果熱管兩端的毛細物質細密程度不同，熱管還會變成熱二極體，只允許熱量向一個方向傳遞。例如毛細物質細密的一端若位於高溫端，熱量就會快速傳遞到毛細物質不夠細密的另一端，但是，熱量卻無法從毛細物質不夠細密的一端向細密的一端傳遞，因為這裡牽扯到蒸氣冷凝下來的液體因毛細作用的大小，能不能循環流動的問題。
由於熱管是利用液體的蒸發和蒸氣冷凝在傳熱，而液體在蒸發或蒸氣在冷凝過程中，其溫度都是保持在沸點溫度上，例如水的蒸發或水蒸氣冷凝都是在100℃下。因此，雖然外界的加熱源與冷卻源的溫度差異可能很大，熱管的熱端和冷端溫度差異卻很小，而且熱管溫度幾乎是恆定的，不會隨外界的溫度變化而變化。這種性質可以讓熱管成為製造恆溫材料的原料，例如宇航服就可以用熱管來製造。
由此可見，熱管的用途太多了，它已經在各行各業的傳熱領域獨擋一面了。
本文源自大科技〈科學之謎〉 雜誌文章 歡迎您關注大科技公眾號：hdkj1997
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