神奇實驗室：精心打造太空測試隔熱罩

數十年來，桑迪亞國家實驗室的國家太陽能熱測試設施一直藉助太陽的能量，使航空航天材料暴露在高溫之下，模擬比音速還快的飛行和大氣再入的惡劣條件，以確保這些材料能夠保護飛行器的其餘部分。這些測試中最新的一次是爲了支持美國國家航空航天局（NASA）的兩項令人興奮的任務。

雄心勃勃的火星樣本返回計劃目前正在接受全面的項目審查，這是美國國家航空航天局（NASA）和歐洲航天局的一項任務，旨在將火星岩石帶給急切盼望着的地球上的科學家。這些樣本可能會提供線索，表明這顆紅色星球是否曾經有生命存在，併爲人類探索火星做好準備。

如果被選中，該任務的樣本回收着陸器部分將把有史以來最重的有效載荷降落在火星上，其中包括一枚旨在將精心挑選的樣本容器發射到火星軌道的火箭。最近，NASA 的工程師在桑迪亞測試了火星着陸器的隔熱罩材料。

“這將是第一個從火星把岩石帶回地球的任務；它的有效載荷更大，”桑迪亞的工程師、NASA 測試的測試主管肯·阿米霍（Ken Armijo）說。“有效載荷越重，進入飛行器越大，飛行器在大氣再入期間就會變得越熱，隔熱罩就需要越好。”

阿米霍說，桑迪亞的太陽能測試設施的特殊之處在於，它能夠測試寬達 3 英尺的材料樣本，同時讓不同的氣體吹拂樣本，以模擬不同星球的大氣環境。這是通過數百個類似鏡子的定日鏡聚焦陽光來實現的——而不是使用耗能巨大的電弧噴射器或激光，這是另外兩種用於再入材料測試的方法。每次測試可以節省 15 到 6 萬千瓦，相當於在測試期間運行 5 到 2 萬臺烘乾機。

桑迪亞的太陽能測試設施包括一座 200 英尺高的動力塔和 212 個鏡面定日鏡組成的場地。

“‘我們的太陽塔具有高能量通量以及均勻的通量分佈，’阿米霍說道。”

“倘若我們有此意願，基本上能夠在那裡放置整架飛機，並用集中的太陽光束對其進行照射。”

“在再入和高超音速飛行過程中所經歷的高通量，僅僅是我們能夠模擬的一部分情況。”

“通量指的是撞擊特定區域的光或能量的數量，通常會拿晴天時落在沙灘毛巾上的陽光量來作比較。”

“桑迪亞的太陽能測試設施宛如一個巨大的放大鏡，能夠將陽光聚焦到該數量的 3500 倍。”

“電弧噴射測試每天的成本高達 10 萬美元，激光測試與之類似，每天約 15 萬美元，而在太陽塔上進行的測試每天約爲 2.5 萬美元。”

“他補充道，還有一個好處，那就是能夠把更多的定日鏡聚焦於測試材料上，改變陽光強度來模擬再入階段，甚至模擬不同天體上的再入狀況。”

“‘通常，美國國家航空航天局（NASA）的任務在對飛行材料進行認證之前，會在幾個能力各異的不同設施中對其隔熱罩材料進行測試，’美國國家航空航天局噴氣推進實驗室樣本回收着陸器隔熱罩材料的首席工程師布蘭登·史密斯說道。”

“桑迪亞具備這種規模的測試能力，很好地補充了我們的其他測試設施。”

“火星樣本回收着陸器和前往土衛六的任務‘蜻蜓’的隔熱罩均設計爲由這種被稱爲酚醛浸漬碳燒蝕的材料製成。”

在 2023 年秋冬期間美國國家航空航天局的測試中，工程師測試了由美國國家航空航天局艾姆斯研究中心開發的一種材料的 2 英尺寬的樣本。這種材料已成功用作美國國家航空航天局的“星塵”、“火星科學實驗室”、“火星 2020”和“奧西里斯-雷克斯”任務的隔熱罩。

這些測試由美國國家航空航天局艾姆斯研究中心的材料科學家基思·彼得森領導。他表示，其他用於再入材料測試的方法所針對的樣本都較小，直徑僅有 8 英寸。

彼得森補充道，鑑於太陽能測試設施能夠測試更大的材料樣本，美國國家航空航天局就能測試稍作彎曲的材料樣本，以此模擬航天器進入大氣層時所承受的物理應變，同時研究僅在更大長度尺度上纔會顯現的機制。

“蜻蜓”是一個類似直升機的機器人，它將前往土星最大的衛星“泰坦”，目前正在約翰霍普金斯應用物理實驗室進行開發。一旦到達“泰坦”，這架旋翼機被設計進行多次飛行，尋找“泰坦”和地球早期（在生命形成之前）常見的化學過程。“泰坦”可能掌握着我們星球上生命如何產生的線索。然而，由於其大氣層的密度是地球的四倍，“泰坦”帶來了自身的挑戰，特別是在爲航天器設計隔熱罩以穿越富含甲烷的大氣層並交付旋翼機方面。

爲了模擬火星和“泰坦”無氧大氣層中的大氣進入熱過程，研究人員讓氮氣吹過隔熱罩樣本。阿米亞稱，最近，桑迪亞從動力塔底部至頂部新增了一條輸氣管。輸氣管有點像花園裡的水管，在進行材料測試的地方提供高壓氣體。

桑迪亞機械技術專家丹尼爾·雷負責安裝輸氣管，並在測試中出現問題時進行修復。他是太陽能測試設施的主要焊工和製造者。

“我在每個項目中的角色都是讓其發揮作用，”雷說道。“在他們的首次測試中，美國國家航空航天局遭遇了保護用的碳氈着火這一問題。第二天早上，我製作了一些陶瓷護罩，以便更好地引導氮氣並保護測試系統，而且這起作用了。”

2022 年，應用物理實驗室的研究人員測試了一個旨在推動火箭圍繞太陽運行的熱交換器原型。他們在太陽塔上讓該原型接受高太陽通量。

阿米霍說，這些新型航空航天熱交換器隔熱罩的目的是在未來“旅行者”型航天器繞太陽以彈弓式飛行進入星際空間時對其進行保護和推動。APL 的機械工程師、該項目負責人傑西卡·哈索諾說，通過更靠近太陽飛行，航天器的速度可能達到“旅行者 1 號”的三到四倍。

哈索諾說，APL 的研究人員能夠在 2000 個太陽的光照下對他們的熱交換器原型進行 10 分鐘的測試。在測試過程中，原型達到了超過 3100 華氏度的高溫，並且保持完整和可運行，證明了熱交換器在預期用途中的適用性和可靠性。研究人員還測試了幾種可能用於隔熱罩材料的塗層。

阿米霍說，這不是 APL 研究人員第一次在桑迪亞的太陽測試設施測試航空航天子系統。事實上，APL 的第一次測試始於 1979 年 5 月，當時專爲能源研究設計並委託建造的太陽測試設施建成還不到一年。

APL 的研究人員在 2000 年回來測試被稱爲雷達罩的雷達保護罩。此前，美國國家航空航天局的研究人員已經對航天飛機的瓷磚、傳感器和通信系統進行了測試，以查看它們在再入期間能否正常工作。該設施還參與了航天飛機和空軍飛機的鼻錐以及航空航天材料對快速溫度變化的適應能力的測試。

“這已經催生出了許多出色的項目，因爲從根本上說，我們已經找到了一種方法來調節定日鏡的聚焦開與關，並調整聚焦光束的擴散，這樣我們就可以隨着時間的推移定製通量的分佈情況，以模擬真實世界的飛行條件，”阿米霍說。

“因爲我們可以調整分佈，所以我們更有信心它在任務期間能夠存活並良好運行。確信它能夠抵達火星、成功着陸並安全採集岩石，這一點非常重要。”