112萬(wàn)公里繞月返航：載人飛船經(jīng)受2700℃高溫灼燒濺落大海

北京時(shí)間4月11日8時(shí)07分（美東時(shí)間4月10日20時(shí)07分），太平洋圣迭戈海域浪花翻涌，一艘紅白相間的錐形艙體拖著三頂紅白主降落傘，平穩(wěn)濺落在海面上。

這是執(zhí)行美國(guó)“阿耳忒彌斯2號(hào)”載人繞月飛行任務(wù)的“獵戶座”飛船，4名宇航員結(jié)束了為期10天的繞月之旅，安全返回地球。

從4月1日傍晚由“太空發(fā)射系統(tǒng)”火箭送入月球軌道到成功濺落，“獵戶座”飛船累計(jì)飛行695081英里，約合1118624公里，一個(gè)逼近112萬(wàn)公里的深空里程。

這是人類航天史上距離地球最遠(yuǎn)的載人飛行，也是自1972年阿波羅17號(hào)任務(wù)之后，人類時(shí)隔54年再次完成載人深空繞月飛行。

阿耳忒彌斯2號(hào)任務(wù)的4名宇航員分別為美國(guó)宇航局宇航員、指令長(zhǎng)里德·懷斯曼，駕駛員維克多·格洛弗，任務(wù)專家克里斯蒂娜·科赫，以及加拿大宇航員杰里米·漢森。

4月1日傍晚，SLS火箭在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心點(diǎn)火升空，將“獵戶座”飛船送入前往月球的自由返回軌道。

任務(wù)期間，“獵戶座”飛船采用自由返回軌道飛行，4月7日飛掠月球背面，最近距離約6513公里，最遠(yuǎn)距地球約40.68萬(wàn)公里，打破了阿波羅13號(hào)保持的載人飛行最遠(yuǎn)紀(jì)錄。

這些珍貴的影像資料不僅拓展了人類對(duì)地月系統(tǒng)的認(rèn)知邊界，也展示了深空載人飛行在科學(xué)觀測(cè)方面的獨(dú)特價(jià)值。

如果說發(fā)射升空考驗(yàn)的是火箭推力，那么返回地球考驗(yàn)的則是材料科學(xué)和熱防護(hù)技術(shù)的極限。航天器從月球返回地球時(shí)，速度遠(yuǎn)超近地軌道返回。

由于地球引力加速作用，“獵戶座”飛船將以超過音速30倍的速度，也就是每小時(shí)近4萬(wàn)公里沖入地球大氣層。

如此高的速度使空氣被劇烈壓縮，飛船外部溫度飆升至2760攝氏度，是太陽(yáng)表面溫度的約一半，足以在數(shù)分鐘內(nèi)將鋼鐵汽化。

面對(duì)如此極端的再入環(huán)境，飛船底部的隔熱罩承擔(dān)著全部熱防護(hù)任務(wù)，“獵戶座”飛船使用的是一種名為Avcoat的燒蝕式防熱材料，與阿波羅時(shí)代所用的材料原理相似。

當(dāng)吸收再入熱量時(shí)，材料外層會(huì)逐漸碳化、燒蝕并剝落，通過“以燒代保”的方式帶走熱量，阻止高溫向內(nèi)傳遞。

Avcoat并非阿波羅時(shí)代的“原版配方”，當(dāng)年為阿波羅飛船制造隔熱罩的供應(yīng)商早已關(guān)門，盡管配方被保留下來，但完整的生產(chǎn)工藝鏈已經(jīng)斷裂。

NASA后來委托洛克希德·馬丁重新復(fù)原這種材料的制造流程，從原來的蜂窩格柵手工灌注改為大面積模塊化成型。

航天材料領(lǐng)域有句經(jīng)驗(yàn)之談，配方相同不等于性能相同，工藝才是核心變量，同樣的化學(xué)成分，固化溫度、填充密度、內(nèi)部孔隙分布的細(xì)微差異，都可能導(dǎo)致材料在極端熱流下的表現(xiàn)完全不同。

阿耳忒彌斯1號(hào)暴露的炭層異常脫落，在某種程度上正是為這種“失傳后重造”的工藝交了一筆昂貴的學(xué)費(fèi)。

在2022年阿耳忒彌斯1號(hào)無人繞月測(cè)試任務(wù)中，Avcoat隔熱罩出現(xiàn)了嚴(yán)重異常，材料內(nèi)部氣體積聚，壓力從內(nèi)部撕裂防護(hù)層，導(dǎo)致大塊材料異常脫落，燒蝕模式與設(shè)計(jì)預(yù)期嚴(yán)重不符，回收后的隔熱罩表面布滿坑洞，侵蝕紋路與計(jì)算機(jī)模擬完全對(duì)不上。

經(jīng)過兩年多的調(diào)查和分析，工程師們發(fā)現(xiàn)了問題的根源，Avcoat材料在受熱過程中內(nèi)部會(huì)積聚氣體，而材料的滲透性直接決定了氣體能否順利排出。

如果氣體無法排出，內(nèi)部壓力積累到一定程度就會(huì)導(dǎo)致大塊材料剝落，阿耳忒彌斯1號(hào)飛船的隔熱罩約有6%的區(qū)域具備滲透性，而這些區(qū)域恰恰沒有發(fā)生開裂或異常脫落，其余不具備滲透性的區(qū)域則損毀嚴(yán)重。

更令人擔(dān)憂的是，阿耳忒彌斯2號(hào)飛船的隔熱罩被證實(shí)滲透性還不如1號(hào)，完全沒有滲透性區(qū)域。

面對(duì)這一現(xiàn)實(shí)，NASA決定放棄在阿耳忒彌斯1號(hào)中采用的“跳躍式再入”，飛船先切入大氣層上層、像打水漂一樣彈起再二次進(jìn)入的方案，轉(zhuǎn)而采用一種更陡峭、更直接的傳統(tǒng)俯沖式再入軌跡。

這種方案通過縮短飛船在問題熱流區(qū)間的停留時(shí)間，減少隔熱罩的燒蝕負(fù)荷。

再入程序精確到秒，美東時(shí)間4月10日19時(shí)33分，負(fù)責(zé)在太空中推進(jìn)和操控飛船的服務(wù)艙與“獵戶座”飛船完成分離，飛船隔熱罩完全暴露。

隨后，飛船以約每秒11公里的速度撞入大氣層，最危險(xiǎn)的“黑障”階段隨之到來，高溫等離子體包裹艙體，無線電信號(hào)完全中斷，地面任務(wù)控制中心與飛船失去聯(lián)系，只能沉默等待。

這6分鐘里，宇航員需承受最高約3.9倍重力的持續(xù)過載，相當(dāng)于一個(gè)80公斤的人瞬間承受超過310公斤的壓迫感。

20時(shí)07分，飛船穿越大氣層后，隔熱罩被拋離，減速傘與主降落傘依次展開，下降時(shí)速減緩至約27公里后平穩(wěn)濺落海面。

飛船頂部氣囊隨即充氣，使艙體翻轉(zhuǎn)并恢復(fù)直立姿態(tài)，早已部署在濺落海域的美海軍“約翰·P·默撒”號(hào)兩棲船塢運(yùn)輸艦迅速展開回收作業(yè)。

宇航員在濺落后兩小時(shí)內(nèi)按計(jì)劃離開飛船、登上運(yùn)輸艦，在艦上接受醫(yī)學(xué)評(píng)估后返回陸地，乘機(jī)前往休斯敦的約翰遜航天中心，飛船指令長(zhǎng)里德·懷斯曼在濺落后報(bào)告說，他和飛船上的其他宇航員狀態(tài)良好。

阿耳忒彌斯2號(hào)的成功返航，標(biāo)志著人類載人深空探索在中斷半個(gè)多世紀(jì)后終于實(shí)質(zhì)性重啟。112萬(wàn)公里的飛行距離、2760攝氏度的再入高溫、6分鐘通信黑障，這些數(shù)據(jù)背后，是對(duì)航天器系統(tǒng)工程、材料科學(xué)、熱防護(hù)技術(shù)、生命保障等關(guān)鍵領(lǐng)域的全面檢驗(yàn)。

當(dāng)然，這次任務(wù)的意義并非毫無保留，阿耳忒彌斯2號(hào)使用的隔熱罩本質(zhì)上仍是一種“臨時(shí)繞過”的方案，NASA的工程師們最終給出的結(jié)論是，即使Avcoat材料塊完全剝離，飛船的鈦框架底座也能保證宇航員安全。

但這種依賴于結(jié)構(gòu)冗余而非材料過關(guān)的應(yīng)對(duì)策略，顯然不能作為長(zhǎng)期方案。NASA局長(zhǎng)賈里德·艾薩克曼也承認(rèn)，這種方法“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看并不正確”，而且沒有備用計(jì)劃。

按照最新公布的任務(wù)進(jìn)度表，阿耳忒彌斯3號(hào)任務(wù)已調(diào)整為在近地軌道開展系統(tǒng)及運(yùn)行能力測(cè)試，原定的登月任務(wù)將由阿耳忒彌斯4號(hào)承擔(dān)，計(jì)劃于2028年實(shí)施。

從繞月到登月，仍有一段不短的路要走，但無論如何，當(dāng)“獵戶座”飛船拖著降落傘降落在太平洋海面的那一刻，人類向月球乃至更遠(yuǎn)深空邁出的腳步，已經(jīng)無法收回。