1、引言

11月29日23点08分，神舟十五号成功发射，由费俊龙领衔的神舟十五航天乘组于次日7时33分与由陈冬领衔的神舟十四航天乘组会师成功，这真的是一个历史性的时刻，不仅仅是六人同在的人数问题，更是空间站长期驻人的开始。这就意味着以后的发射、对接、驻扎、返回都是常规性操作，面对如此复杂的系统工程，要求任何一方面都必须零失误。

返回舱示意图

航天这个系统工程，涉及方方面面，结构的、控制的、保障的，等等。每一个方面又可细分为若干个小方面，比如结构方面，有设计、有分析、有试验，光分析这块，就有很多类型的分析，比如静力学分析、动力学分析、热分析等等。

2、返回舱的温度

我们平时都会对着流星许愿，所谓流星就是天外物体高速划过地球大气层留下的烧红的痕迹。由此可见，当物体高速运动时，与空气产生的摩擦生热，是火箭发射、神舟返回不可忽视的一个载荷。火箭发射需要加速到第一宇宙速度，在这个过程中，速度逐渐增加，大气却不断稀薄，另外还有火箭外壳的保护，相对来说对神舟飞船内部的航天员的温度影响较小。

与空气摩擦生热

然而，返回的过程完全相反。飞船从空间站分离，自带第一宇宙速度。在下降的过程中，由于地球引力的影响，高处的势能持续转变为动能，使得飞船下降过程中的速度持续增加。另外，随着高度的下降，大气层越来越浓稠，摩擦生热的效果也将越来越明显。所以在神舟返回的过程中，航天员的感受将会更加不舒服。为了保护内部的航天员，返回舱究竟是如何做到隔热的呢？

如何隔热

3、隔热与温度应力

采用隔热材料，这是每个人都会想到的方法。就像我们用隔热手套去端发烫的锅一样，这个隔热手套采用的材料就是一种隔热材料，比如这个手套，标签上写着材料是100%聚酯纤维。所谓隔热材料，并不是完全隔绝热量，而是指传热效率很低，由导热系数来衡量。比如，这个聚酯纤维的导热系数是0.037 W/(m.c)，代表着1m厚的石棉，两侧表面的温差为1度（K，℃）时，在单位时间内，通过1平方米面积传递的热量仅为0.037J。而我们常见的金属，比如纯铁的导热系数为36 W/(m.c)，约聚酯纤维的1000倍。

隔热手套

从导热系数可以看到，在设计返回舱外壳时，必须选定导热系数尽量低的隔热材料。但是，导热系数低不是唯一选择标准，必须还得兼顾耐高温、阻燃、以及一定的结构性，只有各方面综合性能都较好的材料，才有可能被选用。这一点其实很难，材料的性能很难兼顾。另一方面，返回舱整体结构并不是全部采用同一种材料，不同零部件所承受的载荷不同，选用的材料也不同。这样的话，零部件的连接处，由于热胀冷缩不一样，将会产生额外的应力，如果没有设计好，这种由温度变化引起的额外应力将是极其致命的。

材料的性能

为了保护返回舱内的航天员，尽量避免这个温度应力，返回舱的外壳在选材时就不是一种单一的材料，而是一层层类似于层合板的结构，学术上称之为功能梯度材料。不同的层次，其材料性能不一样，由外而内材料性能呈梯度变化。返回舱外壳最外层肯定最隔热，导热系数最低，但是其他力学性能较差。而返回舱内层必定是高强度铝合金，所以外层材料的力学性能必须逐步向内过渡到高强度铝合金的力学性能。只有这样才能尽量减低不同材料因热胀冷缩不同步产生的温度应力。

功能梯度材料

4、总结

所以，这个功能梯度材料才是返回舱保护内部航天员免受高温炙烤的黑科技。实际上，功能梯度材料作为一种较新的智能材料，一直是力学工作者研究的重点。也正是力学工作者的不断努力，才让这种材料能够真正应用到神舟系列的返回舱之上。

功能梯度材料