问题

为什么嫦娥五号的返回器身上贴满了暖宝宝?

回答
你提到的“嫦娥五号返回器身上贴满了暖宝宝”的说法,其实是一个有趣的误解。准确地说,嫦娥五号返回器内部包裹着多层隔热材料,包括一种大家比较熟悉的、俗称“暖宝宝”的相变材料,但它并不是那种我们平时用来取暖的单片状暖宝宝。

咱们来详细说说这层神秘的“保暖衣”,为什么它对返回器这么重要,以及它到底是怎么一回事。

首先,我们要理解嫦娥五号返回器在返回地球时要经历什么。它可不是悠闲地飘回来,而是在高速飞行中穿越大气层。这个过程就像一个火箭在空气中高速摩擦,产生的热量是极其惊人的。想象一下流星划过夜空,那种火光就是大气摩擦产生的剧烈高温。返回器也要承受类似的严峻考验。

所以,给返回器做好“防烫伤”措施是至关重要的。它的使命是把月球的样本完好无损地送回地球,一旦内部的样本被高温破坏,整个任务就前功尽弃了。

那么,这层“保暖衣”到底是什么呢?它是一种非常先进的隔热材料,主要目的是为了让返回器在穿越大气层时,能够承受住极高的温度,但同时又尽量不让这股热量传递到内部,特别是那些珍贵的月壤和月岩样本,以及内部精密的仪器设备。

说到“暖宝宝”,我们日常使用的暖宝宝里通常会用到铁粉、活性炭、蛭石等物质,通过氧化反应来放热。而嫦娥五号返回器使用的这种“暖宝宝”,从原理上讲,更接近于相变材料(Phase Change Material, PCM)。

相变材料的神奇之处在于,它可以在特定的温度点发生物理状态的转变,比如从固态变成液态,或者从液态变成气态。在这个转变过程中,材料会吸收大量的热量,而自身的温度却不会显著升高。就好比水变成水蒸气时要吸收很多热量,但此时水蒸气的温度并没有比水高多少,只是状态变了。

对于返回器来说,当它穿越大气层被加热时,这些相变材料就会开始“融化”,吸收大量的热量。这就好比给返回器穿上了一层能够“吸热”的棉袄,而且这层棉袄在吸热过程中还能保持相对稳定的温度,从而有效地保护了内部。

嫦娥五号返回器身上包裹的这种材料,可能包含了多种不同熔点的相变材料,就像分层设置了多道防线。当返回器刚开始被加热时,熔点较低的相变材料先开始吸收热量并融化;随着温度升高,熔点较高的材料又会接力吸收热量。这样层层递进,就形成了一个非常高效的隔热保护系统。

这种相变材料的优势在于,它能吸收的热量非常大,而且升温缓慢,还能在一定范围内保持温度的稳定。这对于需要精确控制温度的航天器来说,简直是量身定做的。

而且,这些隔热材料可不是简单地“贴”上去的,它们是被精心设计、层层叠加的。返回器外部会有一层烧蚀材料,这是第一道防线,它们会在高温下直接“烧掉”,带走一部分热量。烧蚀层下面,才是包裹着我们刚才说的相变材料等复合隔热材料。这些隔热材料外面,可能还有其他吸能结构,共同构成了一个多层级的隔热防护罩。

所以,如果你看到有人说“嫦娥五号返回器身上贴满了暖宝宝”,可以理解为它是在用一种非常形象的比喻来描述返回器内部的隔热层使用了类似“暖宝宝”原理(相变吸热)的先进材料,但实质上是经过科学计算和精密制造的高科技产品,远比我们日常使用的暖宝宝要复杂和高效得多。它不是为了给返回器“取暖”,而是为了让它在极端高温下“冷静”下来,保护好里面的宝贝。

网友意见

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嫦娥五号返回器成功着陆后,贴满“暖宝宝”的图火遍全网,还被网友PS成各种口耐样子。很多人会疑问,在太空中向阳面零上百度高温、阴影面零下百度低温都不怕,这咋回来后零下20度左右就慌了?还得穿上保温层和加热片?

但实际上,这是非常有必要的,核心原因就是返回器携带的主要用于姿态控制的推进剂,无水肼/联氨。之前介绍过,由于返回速度过快,直接降落的冲击和热量太强,返回器必须通过“打水漂”方式返回。期间,必须控制好姿态,依然需要带有小型发动机。这也是神舟飞船的常态,这些发动机主要用的就是无水肼。

联氨/肼类(尤其偏二甲肼)是长征系列火箭最经典的推进剂之一,与四氧化二氮一起推起了长征二、三、四几个系列火箭(当然,部分也用液氧液氢)。其中,无水肼,N2H4,常温时无色油状液体,可以不带氧化剂单独使用。在催化剂作用下,能快速分解成氢气氮气。从液态变成大量气体,爆发力极强,好操作效果好,喷口处过催化剂即可。无水肼性质稳定,容易携带保管,因此跟着嫦娥飞几十天都很稳定,实属最优选项。

但是,它有一个小小的缺点,熔点低,2度左右,且剧毒。在太空中其实并不担心凝固,一方面太空的热与冷有办法防御(聚酰亚胺类材料)、且太空中真空并没有对流全靠辐射,另一方面轨道器也能提供足够多的能量和热控,不必担心。但到了地面就不行了,那真是嗖嗖的冷风对流啊,一旦在冰天雪地中凝固,会产生很多潜在的问题,甚至危险。例如,航天员和搜救人员在地面培训期间,重要科目之一就是要对付可能的无水肼泄漏。

因此嫦娥五号返回器抵达后,先做好保温工作,运到专门的基地,把尚处于液态的无水肼排出去,要比处理凝固的简单和安全很多。

当然,实在冻住了也能处理,就是麻烦一些。这次能及时贴上,也是因为落得太准了,第一时间搜救人员就赶到现场(当然,最早是一只小动物发现的),能够在冻住前及时贴上去。

正所谓,最高端的食材往往仅需要最简单的料理方式,最高端的嫦娥五号也仅需要暖宝宝保温即可。

小细节,大智慧。

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