两手用力相互摩擦,是不是感觉到手掌很热?这是物理学中动能转化为热能的现象,叫做“摩擦生热”。摩擦得越快,手就越热。与空气摩擦也会产生热量,而且同样是速度越快,产生的热量越多。
大家有没有见过流星?宇宙中一些小天体坠落到地球上时,由于下落速度很快而与大气剧烈摩擦,产生很高的热量以至于燃烧起来,从地面上看,会看到天空中一道明亮的线条,这就是小天体下落过程中摩擦燃烧时发出的光亮。
当飞机在天空中飞行的时候,也会碰上和流星一样的问题。飞机的速度越快,它和大气的摩擦也越剧烈,从而产生大量的热,与空气摩擦的部位温度急剧升高。为了保证飞行安全,就需要对高速飞机采用特殊的防热措施。
实际上,在航天器返回地球时所遇到的温度比上面提到的飞机的温度要高出几十倍。材料必须能够经受上千摄氏度甚至更高的温度。这个温度到底有多高呢?咱们平常看到的熊熊燃烧的大火,在大火中心温度最高的地方才不过几百摄氏度。在这个温度下,普通金属材料和无机陶瓷会熔融,高分子材料受热会产生裂解,那么,用什么材料来解决这一难题呢?
还记得我们介绍过铜有优良的导热性吗?如果能迅速把摩擦产生的热量散发到空气里就能降低物体表面的温度,所以最早的导弹采用铜合金作为防热材料。但这种方法很快就被性能更优越的烧蚀材料所替代,现在普遍采用高分子烧蚀材料作为航天飞行器的防热材料。
耐高温材料保护着宇航员的生命根据烧蚀原理,用作高效烧蚀防热的材料是有选择的,也就是说,不是所有的高分子材料都具备这个性能。作为烧蚀材料,必须在高温下不熔融,同时又要裂解并产生大量小分子气体,把热量很快地散发出去。一些以树脂为主的复合材料,在热环境下,产生大量的小分子气体,形成坚固的热辐射表面,是做烧蚀材料的最佳选择。
不同的飞行器对材料的要求程度也不一样,飞行速度越高,产生的热量越多,对材料的要求就越高。导弹对材料的要求就比普通的飞机要求高,而宇宙飞船对材料的要求比导弹又要高。随着科学技术的发展和实践领域的要求变化,烧蚀材料也逐渐从高密度向低密度,由高热导率向低热导率发展。