神奇实验室：精心打造太空测试隔热罩

数十年来，桑迪亚国家实验室的国家太阳能热测试设施一直借助太阳的能量，使航空航天材料暴露在高温之下，模拟比音速还快的飞行和大气再入的恶劣条件，以确保这些材料能够保护飞行器的其余部分。这些测试中最新的一次是为了支持美国国家航空航天局（NASA）的两项令人兴奋的任务。

雄心勃勃的火星样本返回计划目前正在接受全面的项目审查，这是美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局的一项任务，旨在将火星岩石带给急切盼望着的地球上的科学家。这些样本可能会提供线索，表明这颗红色星球是否曾经有生命存在，并为人类探索火星做好准备。

如果被选中，该任务的样本回收着陆器部分将把有史以来最重的有效载荷降落在火星上，其中包括一枚旨在将精心挑选的样本容器发射到火星轨道的火箭。最近，NASA 的工程师在桑迪亚测试了火星着陆器的隔热罩材料。

“这将是第一个从火星把岩石带回地球的任务；它的有效载荷更大，”桑迪亚的工程师、NASA 测试的测试主管肯·阿米霍（Ken Armijo）说。“有效载荷越重，进入飞行器越大，飞行器在大气再入期间就会变得越热，隔热罩就需要越好。”

阿米霍说，桑迪亚的太阳能测试设施的特殊之处在于，它能够测试宽达 3 英尺的材料样本，同时让不同的气体吹拂样本，以模拟不同星球的大气环境。这是通过数百个类似镜子的定日镜聚焦阳光来实现的——而不是使用耗能巨大的电弧喷射器或激光，这是另外两种用于再入材料测试的方法。每次测试可以节省 15 到 6 万千瓦，相当于在测试期间运行 5 到 2 万台烘干机。

桑迪亚的太阳能测试设施包括一座 200 英尺高的动力塔和 212 个镜面定日镜组成的场地。

“‘我们的太阳塔具有高能量通量以及均匀的通量分布，’阿米霍说道。”

“倘若我们有此意愿，基本上能够在那里放置整架飞机，并用集中的太阳光束对其进行照射。”

“在再入和高超音速飞行过程中所经历的高通量，仅仅是我们能够模拟的一部分情况。”

“通量指的是撞击特定区域的光或能量的数量，通常会拿晴天时落在沙滩毛巾上的阳光量来作比较。”

“桑迪亚的太阳能测试设施宛如一个巨大的放大镜，能够将阳光聚焦到该数量的 3500 倍。”

“电弧喷射测试每天的成本高达 10 万美元，激光测试与之类似，每天约 15 万美元，而在太阳塔上进行的测试每天约为 2.5 万美元。”

“他补充道，还有一个好处，那就是能够把更多的定日镜聚焦于测试材料上，改变阳光强度来模拟再入阶段，甚至模拟不同天体上的再入状况。”

“‘通常，美国国家航空航天局（NASA）的任务在对飞行材料进行认证之前，会在几个能力各异的不同设施中对其隔热罩材料进行测试，’美国国家航空航天局喷气推进实验室样本回收着陆器隔热罩材料的首席工程师布兰登·史密斯说道。”

“桑迪亚具备这种规模的测试能力，很好地补充了我们的其他测试设施。”

“火星样本回收着陆器和前往土卫六的任务‘蜻蜓’的隔热罩均设计为由这种被称为酚醛浸渍碳烧蚀的材料制成。”

在 2023 年秋冬期间美国国家航空航天局的测试中，工程师测试了由美国国家航空航天局艾姆斯研究中心开发的一种材料的 2 英尺宽的样本。这种材料已成功用作美国国家航空航天局的“星尘”、“火星科学实验室”、“火星 2020”和“奥西里斯-雷克斯”任务的隔热罩。

这些测试由美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的材料科学家基思·彼得森领导。他表示，其他用于再入材料测试的方法所针对的样本都较小，直径仅有 8 英寸。

彼得森补充道，鉴于太阳能测试设施能够测试更大的材料样本，美国国家航空航天局就能测试稍作弯曲的材料样本，以此模拟航天器进入大气层时所承受的物理应变，同时研究仅在更大长度尺度上才会显现的机制。

“蜻蜓”是一个类似直升机的机器人，它将前往土星最大的卫星“泰坦”，目前正在约翰霍普金斯应用物理实验室进行开发。一旦到达“泰坦”，这架旋翼机被设计进行多次飞行，寻找“泰坦”和地球早期（在生命形成之前）常见的化学过程。“泰坦”可能掌握着我们星球上生命如何产生的线索。然而，由于其大气层的密度是地球的四倍，“泰坦”带来了自身的挑战，特别是在为航天器设计隔热罩以穿越富含甲烷的大气层并交付旋翼机方面。

为了模拟火星和“泰坦”无氧大气层中的大气进入热过程，研究人员让氮气吹过隔热罩样本。阿米亚称，最近，桑迪亚从动力塔底部至顶部新增了一条输气管。输气管有点像花园里的水管，在进行材料测试的地方提供高压气体。

桑迪亚机械技术专家丹尼尔·雷负责安装输气管，并在测试中出现问题时进行修复。他是太阳能测试设施的主要焊工和制造者。

“我在每个项目中的角色都是让其发挥作用，”雷说道。“在他们的首次测试中，美国国家航空航天局遭遇了保护用的碳毡着火这一问题。第二天早上，我制作了一些陶瓷护罩，以便更好地引导氮气并保护测试系统，而且这起作用了。”

2022 年，应用物理实验室的研究人员测试了一个旨在推动火箭围绕太阳运行的热交换器原型。他们在太阳塔上让该原型接受高太阳通量。

阿米霍说，这些新型航空航天热交换器隔热罩的目的是在未来“旅行者”型航天器绕太阳以弹弓式飞行进入星际空间时对其进行保护和推动。APL 的机械工程师、该项目负责人杰西卡·哈索诺说，通过更靠近太阳飞行，航天器的速度可能达到“旅行者 1 号”的三到四倍。

哈索诺说，APL 的研究人员能够在 2000 个太阳的光照下对他们的热交换器原型进行 10 分钟的测试。在测试过程中，原型达到了超过 3100 华氏度的高温，并且保持完整和可运行，证明了热交换器在预期用途中的适用性和可靠性。研究人员还测试了几种可能用于隔热罩材料的涂层。

阿米霍说，这不是 APL 研究人员第一次在桑迪亚的太阳测试设施测试航空航天子系统。事实上，APL 的第一次测试始于 1979 年 5 月，当时专为能源研究设计并委托建造的太阳测试设施建成还不到一年。

APL 的研究人员在 2000 年回来测试被称为雷达罩的雷达保护罩。此前，美国国家航空航天局的研究人员已经对航天飞机的瓷砖、传感器和通信系统进行了测试，以查看它们在再入期间能否正常工作。该设施还参与了航天飞机和空军飞机的鼻锥以及航空航天材料对快速温度变化的适应能力的测试。

“这已经催生出了许多出色的项目，因为从根本上说，我们已经找到了一种方法来调节定日镜的聚焦开与关，并调整聚焦光束的扩散，这样我们就可以随着时间的推移定制通量的分布情况，以模拟真实世界的飞行条件，”阿米霍说。

“因为我们可以调整分布，所以我们更有信心它在任务期间能够存活并良好运行。确信它能够抵达火星、成功着陆并安全采集岩石，这一点非常重要。”