安在航天器外的“空調”——“蒸騰冷卻”技術_風聞

作者：蘭順正

首發自：《中國航天報》

5月下旬，有報道稱美空軍研究實驗室資助得克薩斯A&M大學與Canopy Aerospace初創公司，共同研發基於“蒸騰冷卻”（Transpiration Cooling）的可重複使用航天器與高超聲速飛行器技術。

眾所周知，航天器在再入大氣層以及高超聲速飛行器在高速飛行過程中，與大氣的劇烈摩擦會產生極端高温，這種極端温度可高達10000°C，因此熱防護技術必不可少。目前，主流的熱防護技術採用被動的方式，如曾用於航天飛機以及SpaceX公司“星艦”所採用的陶瓷防熱瓦，不過防熱瓦不僅容易損壞，而且維護週期極為漫長，有時甚至長達6個月，這也嚴重製約了航天器的快速複用能力和高超聲速武器系統的作戰響應效率。

而蒸騰冷卻技術則是通過主動方式動態地在飛行器表面形成一層隔熱邊界。資料顯示，該技術是通過飛行器前端的特定結構，主動釋放經過加壓的流體。這些流體在高温環境下迅速蒸發，形成一層穩定的隔熱氣體層。這層氣體薄膜能夠有效地將飛行器表面與外部因高速摩擦產生的超高温氣流隔離開來，從而保護飛行器結構免受熱損傷。

蒸騰冷卻技術如果成熟並得到廣泛應用，對航空航天領域產生巨大的影響。

一方面，蒸騰冷卻代表了熱防護策略從“被動承受”向“主動調控”的根本性轉變。這種轉變不僅有望大幅提升飛行器所能承受的熱流極限，還賦予了熱防護系統動態適應不同飛行階段、不同熱流強度環境的可能性。通過精確控制冷卻劑的流量和分佈，理論上可以實現對熱邊界層的主動管理和優化。以高超飛行器為例，在作戰中的高超聲速飛行器往往需要進行大幅度機動以突破攔截或瞄準目標，其表面特別是氣動舵面和前緣會產生劇烈且不均勻的局部熱流峯值。傳統熱防護系統往往因材料的熱應力極限或燒蝕裕度不足而限制了飛行器的機動包線，蒸騰冷卻系統通過主動調節冷卻劑流量，有望對這些瞬態高熱流區域進行強化冷卻，從而有效管理機動過程中產生的極端熱載荷。這使得高超聲速飛行器能夠執行更為複雜的戰術動作，如大幅度規避、高過載轉彎等，從而極大地提升其在複雜對抗環境下的突防能力和戰場生存性。

另一方面，傳統熱防護瓦片維護週期很長，而蒸騰冷通過主動冷卻機制，顯著減少了飛行器表面材料因高温燒蝕或熱應力疲勞而產生的損耗，這不但延長了飛行器的使用壽命，還大幅縮短了任務後的檢查、維修和更換週期，有助於實現航天器快速複用。這對於民用而言，意味着更低的單次任務成本和更高的發射頻次，不但有利於太空經濟的發展，或許還將催生全新的“高超全球物流”體系；對於軍事應用，則意味着高超聲速武器系統更快的作戰部署節奏、更高的戰備完好率和更強的持續威懾與快速響應能力，從而更好的服務於“全球打擊”。

據報道，此次美國空軍研究實驗室（AFRL）主導了蒸騰冷卻技術的研究，而美國初創公司Canopy Aerospace一直致力於將蒸騰冷卻理念工程化、產品化。目前Canopy公司的3D打印材料已在得克薩斯A&M的高超聲速風洞中進行測試，利用每秒700萬幀高速攝像機捕捉氣體動力學行為，以進行優化。該公司計劃2025年底完成1米長靜態測試模型，2026年推進飛行測試驗證，不過有消息稱其飛行測試仍面臨高成本與技術驗證風險，需持續投入材料科學、3D打印與氣動測試資源。