2003年10月16日5時(shí)35分，北京航天指揮控制中心向正在太空中運(yùn)行的我國(guó)首個(gè)載人飛船神舟五號(hào)發(fā)送返回指令，自此神舟五號(hào)飛船開始返航。6時(shí)04分，神舟五號(hào)飛船進(jìn)入大氣層。在此過(guò)程中，宇航員楊利偉描述道，“快速飛行的飛船與大氣摩擦，產(chǎn)生的高溫把舷窗外面燒得一片通紅；緊接著，在通紅的窗外，有紅的白的碎片不停劃過(guò)”。

飛行器在高速飛行過(guò)程中，因?yàn)橥獠扛邷貕嚎s空氣的影響以及飛行器與空氣的摩擦生熱，機(jī)體表面溫度會(huì)急劇升高，難怪楊利偉駕駛神舟五號(hào)飛船進(jìn)入大氣層后飛船的舷窗外面會(huì)被燒得“一片通紅”。

在飛行器早期的設(shè)計(jì)和實(shí)踐過(guò)程中，因?yàn)闄C(jī)體材料無(wú)法承受上述過(guò)程中所產(chǎn)生的巨大熱量，飛行器的速度一直是難以突破的瓶頸。為了方便表述，業(yè)內(nèi)一般將上述在大氣層中飛行器飛行過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量對(duì)飛行速度的限制簡(jiǎn)稱為“熱障”。突破“熱障”后飛行器的速度便可以迅速提升，其應(yīng)用范圍也可以大幅度拓展，所以該現(xiàn)象一直是航空航天領(lǐng)域科學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

實(shí)際上，“熱障”現(xiàn)象在理論上是有明確解釋的。早在1938年，科學(xué)家錢學(xué)森在其博士論文中便有詳細(xì)的理論計(jì)算和描述。

根據(jù)他的計(jì)算結(jié)果及算例，當(dāng)飛行器以6倍聲速飛行時(shí)，其表面的溫度將達(dá)到外界溫度的8倍（大約1500攝氏度）。此外，上述高溫不僅僅影響飛行器的外部結(jié)構(gòu)及材料，對(duì)于飛行員的安全以及機(jī)組內(nèi)的各種儀器儀表也均會(huì)造成重大的威脅。具體而言，當(dāng)飛行器的速度高于2.5倍聲速之時(shí)，“熱障”便會(huì)非常顯著。

最為直接的克服“熱障”的方法便是將飛行器的材料更換為能夠耐受高溫同時(shí)具有較高強(qiáng)度的材料。例如，美國(guó)采用鈦合金材料制造飛機(jī)，而蘇聯(lián)采用不銹鋼材料進(jìn)行替代，二者都對(duì)克服“熱障”起到了不錯(cuò)的效果。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的努力，1956年9月27日，人類終于突破了“熱障”。隨后，戰(zhàn)斗機(jī)、偵察機(jī)的速度得以大幅度的提升。

此外，飛行器的熱防護(hù)方法還包括加裝隔熱設(shè)備和安裝冷卻系統(tǒng)給飛行器的表面進(jìn)行降溫等措施。隨著技術(shù)的進(jìn)步，飛行器表面經(jīng)常被覆蓋一層燒蝕材料，類似的技術(shù)還包括在飛行器的表面涂抹熱防護(hù)涂層。在“熱障”防護(hù)方面，我國(guó)神舟五號(hào)載人飛船采用了燒蝕材料和涂層防護(hù)等方法，楊利偉所看到的碎片便是燒蝕材料逐步脫落后留下的。

因?yàn)楹娇蘸教旃こ痰膹?fù)雜性，突破了“熱障”并不意味可以一勞永逸。一個(gè)慘痛的教訓(xùn)便是美國(guó)的哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)的失事。2003年2月1日，當(dāng)哥倫比亞號(hào)再入大氣層時(shí)，因航天飛機(jī)的熱防護(hù)系統(tǒng)被其外部脫落的泡沫材料損毀而失事，機(jī)上7名航天員遇難。由此可見，飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)及其有效設(shè)計(jì)仍然是航空航天領(lǐng)域的核心議題之一。

從“熱障”研發(fā)的歷史中，本科生可以體會(huì)以下幾點(diǎn)。

前瞻性。科學(xué)研究需要有一定的前瞻性，應(yīng)去發(fā)現(xiàn)重要的問(wèn)題。在“熱障”現(xiàn)象的研究過(guò)程中，部分研究人員墨守成規(guī)地認(rèn)為飛行器不會(huì)發(fā)生“熱障”問(wèn)題。但是，錢學(xué)森通過(guò)理論推導(dǎo)和物理分析預(yù)見到“熱障”的必然性及其對(duì)飛行器發(fā)展的重要影響，而后續(xù)的實(shí)踐完全證實(shí)了上述預(yù)見的準(zhǔn)確性。

關(guān)注細(xì)節(jié)。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事的原因主要在于泡沫材料的焊接工藝問(wèn)題，其焊縫處所摻雜的少量氫氣泡在受熱膨脹后會(huì)導(dǎo)致泡沫分離，從而脫落并損毀了熱防護(hù)系統(tǒng)。另一個(gè)例子是，為耗費(fèi)巨資研發(fā)的哈勃望眼鏡提供主鏡片的制造公司在鏡片磨制過(guò)程中存在重大失誤，導(dǎo)致該鏡片聚焦不準(zhǔn)。讓人驚訝的是，該問(wèn)題直到該望遠(yuǎn)鏡被送到太空中才因傳回的圖像極為模糊而被發(fā)現(xiàn)，成了全世界的笑談。

犧牲精神。一項(xiàng)重要工程的成功實(shí)施需要幾代人的努力和拼搏。在航空航天發(fā)展的過(guò)程中，無(wú)數(shù)的航天員和試飛員作出了杰出的貢獻(xiàn)甚至獻(xiàn)出了生命。例如，駕駛X-2試驗(yàn)機(jī)首次突破“熱障”的米爾姆·阿普特便因飛機(jī)在一個(gè)傾斜轉(zhuǎn)彎動(dòng)作之后的操作失靈事故而犧牲。

關(guān)注前沿學(xué)科。隨著“熱障”現(xiàn)象及其防護(hù)措施的持續(xù)研發(fā)，逐漸形成了氣動(dòng)熱力學(xué)這一空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的新分支，重點(diǎn)研究高速飛行器邊界層內(nèi)的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象、燒蝕作用的特征及其與周圍流場(chǎng)的耦合作用等內(nèi)容。本科生應(yīng)該多關(guān)注這些前沿、新興學(xué)科的發(fā)展和研究進(jìn)展，并圍繞感興趣的議題積累相關(guān)知識(shí)。

來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》