安在航天器外的“空调”——“蒸腾冷却”技术

作者：兰顺正

首发自：《中国航天报》

5月下旬，有报道称美空军研究实验室资助得克萨斯A&M大学与Canopy Aerospace初创公司，共同研发基于“蒸腾冷却”（Transpiration Cooling）的可重复使用航天器与高超声速飞行器技术。

众所周知，航天器在再入大气层以及高超声速飞行器在高速飞行过程中，与大气的剧烈摩擦会产生极端高温，这种极端温度可高达10000°C，因此热防护技术必不可少。目前，主流的热防护技术采用被动的方式，如曾用于航天飞机以及SpaceX公司“星舰”所采用的陶瓷防热瓦，不过防热瓦不仅容易损坏，而且维护周期极为漫长，有时甚至长达6个月，这也严重制约了航天器的快速复用能力和高超声速武器系统的作战响应效率。

而蒸腾冷却技术则是通过主动方式动态地在飞行器表面形成一层隔热边界。资料显示，该技术是通过飞行器前端的特定结构，主动释放经过加压的流体。这些流体在高温环境下迅速蒸发，形成一层稳定的隔热气体层。这层气体薄膜能够有效地将飞行器表面与外部因高速摩擦产生的超高温气流隔离开来，从而保护飞行器结构免受热损伤。

蒸腾冷却技术如果成熟并得到广泛应用，对航空航天领域产生巨大的影响。

一方面，蒸腾冷却代表了热防护策略从“被动承受”向“主动调控”的根本性转变。这种转变不仅有望大幅提升飞行器所能承受的热流极限，还赋予了热防护系统动态适应不同飞行阶段、不同热流强度环境的可能性。通过精确控制冷却剂的流量和分布，理论上可以实现对热边界层的主动管理和优化。以高超飞行器为例，在作战中的高超声速飞行器往往需要进行大幅度机动以突破拦截或瞄准目标，其表面特别是气动舵面和前缘会产生剧烈且不均匀的局部热流峰值。传统热防护系统往往因材料的热应力极限或烧蚀裕度不足而限制了飞行器的机动包线，蒸腾冷却系统通过主动调节冷却剂流量，有望对这些瞬态高热流区域进行强化冷却，从而有效管理机动过程中产生的极端热载荷。这使得高超声速飞行器能够执行更为复杂的战术动作，如大幅度规避、高过载转弯等，从而极大地提升其在复杂对抗环境下的突防能力和战场生存性。

另一方面，传统热防护瓦片维护周期很长，而蒸腾冷通过主动冷却机制，显著减少了飞行器表面材料因高温烧蚀或热应力疲劳而产生的损耗，这不但延长了飞行器的使用寿命，还大幅缩短了任务后的检查、维修和更换周期，有助于实现航天器快速复用。这对于民用而言，意味着更低的单次任务成本和更高的发射频次，不但有利于太空经济的发展，或许还将催生全新的“高超全球物流”体系；对于军事应用，则意味着高超声速武器系统更快的作战部署节奏、更高的战备完好率和更强的持续威慑与快速响应能力，从而更好的服务于“全球打击”。

据报道，此次美国空军研究实验室（AFRL）主导了蒸腾冷却技术的研究，而美国初创公司Canopy Aerospace一直致力于将蒸腾冷却理念工程化、产品化。目前Canopy公司的3D打印材料已在得克萨斯A&M的高超声速风洞中进行测试，利用每秒700万帧高速摄像机捕捉气体动力学行为，以进行优化。该公司计划2025年底完成1米长静态测试模型，2026年推进飞行测试验证，不过有消息称其飞行测试仍面临高成本与技术验证风险，需持续投入材料科学、3D打印与气动测试资源。