SpaceX星舰隔热瓦,烈焰中的梦想守护者

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[洞见热管理]获悉，北京时间2025年1月17日6时37分，在美国得克萨斯州"星际基地"，SpaceX的首个实用化全新V2版星舰飞船上演处女秀，可惜的是，星舰的第七次试飞以星舰二级在上升阶段发生了快速意外解体而遗憾告终。

据了解，“星舰”火箭总长约120米，直径约9米，由两部分组成，第一级是长约70米的“超级重型”助推器，第二级是“星舰”飞船，两级均可重复使用。该火箭的设计目标是将人和货物送至地球轨道、月球乃至火星。

本次星舰试飞，在热防护系统方面又一次做了革新，接下来，我们一起了解星舰热防护系统特别是隔热瓦的创新之路。

01

一个太空旅行的梦想

NASA作为蓝星上著名的和成功的航空航天机构，在太空探索上做出过许多令人惊叹的贡献。

至今，NASA总共建成6架航天飞机，分别是：哥伦比亚号、挑战者号、发现号、亚特兰蒂斯号、奋进号和企业号（进取号）。

第一架航天飞机“企业号”于1977年完成，没有发动机和相关设备，纯粹是一个测试平台，由波音747作为无动力滑翔机进行运输并进行了一些大气测试。

1981年，真正意义上的第一架航天飞机哥伦比亚号首航，接着挑战者号、发现号和亚特兰蒂斯号分别于1983年、1984年和1985年迅速获得成功。



准备起飞的亚特兰蒂斯号航天飞机。图源：Alan Freed/Shutterstock.com

在太空旅行的探索道路上，一直充满着荆棘与挑战。1986年，“挑战者”号航天飞机在上升时，固体火箭助推器的O型圈密封件失效，在飞行73秒后，挑战者号发生爆炸（无幸存者），奋进号是作为被毁坏的挑战者号的替身。2003年，哥伦比亚号在进入大气层时也发生了爆炸。



亚特兰蒂斯航天飞机于2009年11月16日在佛罗里达州卡纳维拉尔角从肯尼迪航天中心发射。 图源：Jose Antonio Perez/Shutterstock.com

在这两起事件之后，这种太空旅行的安全性受到质疑。2011年7月21日，亚特兰蒂斯号航天飞机完成了最后一次飞行任务，至此，航天飞机退出历史舞台。

而那位“我一直想到太空中做一些事情”的人，在2012年开始接过这个梦想，并将这个梦想一步步照进现实——他，就是在2002年5月成立了太空探索技术公司（Space Exploration Technologies）的埃隆·马斯克（Elon Musk）。几个月后，马斯克用他最喜欢的字母，改了一个更容易让人记住的名字——SpaceX。

从此，商业航天开启了探索宇宙星辰的崛起征途。

02

热防护系统的发展

彼时，NASA在设计航天飞机时克服了一系列挑战。作为世界上第一种往返于地面和宇宙空间的可重复使用的航天运载器，当从太空返回地球或向其他星球进发时，它会以极高的速度穿越大气层，高速运动会产生剧烈的气动加热，表面温度可达1600°C以上，足以熔化或烧毁大多数材料。

因此，为了承受再入地球产生的高温严酷环境，NASA设计和创建的热防护系统（Thermal Protection System, TPS），是确保航天器及其乘员安全的核心关键技术。



TPS系统发展历史。图源：NASA

基于材料和设计理念的不同，TPS类型可分为：

烧蚀防护：在进入大气层时会逐层烧蚀，通过烧蚀过程中的热量消耗来保护航天器。

热障涂料：能够反射大量的热能，保护航天器免受高温伤害，主要用于一些探测器和较小航天器上。

耐热瓦片：能够承受重新进入大气时的极端温度，然后再次冷却至室温，可以多次使用。

气动加热管理：通过航天器的形状和姿态调整，有效地管理和分散大气层中产生的气动加热，减少热防护系统的负担。

烧蚀防护主要依靠防热材料的热解、熔化、蒸发、升华和多种化学反应，牺牲部分材料质量从而吸收并带走大量的热量。减少热量进入材料内部的同时，使表面温度保持在允许的范围内，以期达到热防护目的。

烧蚀热防护系统中采用的烧蚀材料，不仅要具备良好的抗烧蚀和隔热性能，还要有一定的力学强度以抵抗气动剪切力和应力破坏，所以烧蚀材料常采用复合材料。

目前，烧蚀材料依据基体的不同主要分为硅基复合材料、碳基复合材料、热解炭化材料（也称树脂基复合材料）和陶瓷基复合材料；根据制作工艺，其主要分为非涂层类烧蚀材料和涂层类烧蚀材料。目前应用最广的是碳/碳化硅复合材料，常用于临近空间飞行器的外防热。

低密度烧蚀材料是目前航天领域热防护材料的重点研究方向，未来将向更轻质、更高效的热防护涂层材料发展，以便减轻隔热层的重量。材料的烧蚀预测主要通过建立理论烧蚀预测模型。

蜂窝增强轻质烧蚀防热材料是空间飞行器防热的一员“老将”。“神舟”号载人飞船、月地高速再入返回飞行器、“嫦娥五号”月球探测器中，蜂窝增强轻质烧蚀防热材料都发挥了热防护的关键作用。

以硅橡胶基为代表的防热涂层已在工程中得到广泛应用，但现有研究的表面烧蚀方程中缺乏对表面颗粒、气流侵蚀和机械剥蚀的描述，体烧蚀方程中也未能体现炭层的多孔介质特性，这是未来的研究重点。

对于非涂层类材料，不同基体材料所产生机械剥蚀的机理不同。多数机械剥蚀模型是稳态的，更精确的计算需要发展瞬态模型。机械侵蚀主要发生在炭层，它是建立热化学烧蚀、颗粒侵蚀、气流侵蚀和机械剥蚀耦合模型的关键。炭层结构须考虑材料的孔隙率、断裂韧性、炭层硬度、炭层强度、失效机制和裂纹扩展等力学性能。

尽管出现了基于机器学习、神经网络等的烧蚀预测方法，但它们本质上是基于大量试验样本的数据预测方法，无法揭示内在烧蚀机理。近十年来，烧蚀模型的研究主要包括：热化学烧蚀的数理模型（涂层和非涂层类材料）、发动机内部热防护材料受颗粒和气流侵蚀的数理模型、飞行器外部热防护材料机械剥蚀的数理模型等。

20世纪50年代，热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）概念最早由美国 NASA (National Aeronautics and Space Administrati-on)-Lewis 研究中心提出，并进行了大量研究，主要用于发动机涡轮叶片表面制备一层热障涂层以延长发动机服役寿命。

热障涂层由表层陶瓷热障层和中间金属粘结层的典型双层系统构成，其具有隔热、抗高温氧化和耐腐蚀等作用。在热障涂层中实际起隔热作用的是陶瓷热障层，它能有效减少向金属基体的热传导，保护关键零部件。

合适的热障涂层陶瓷材料应满足高熔点、低热导率、热膨胀系数与金属基体较匹配、低烧结速率、良好的高温化学稳定性、与金属层结合力高、在室温与工作温度之间无相变等要求。

ZrO2是目前应用最为广泛的热障涂层陶瓷材料，钙钛矿结构的ABO3陶瓷和焦绿石或萤石结构的 A2B2O7陶瓷也不断受到关注；此外，新型磁铁铅矿结构陶瓷及其他先进陶瓷材料也逐渐得到重视。

涂层在长期的高温使用过程中仍存在相变、烧结、应力集中等问题，最终导致涂层的失效。因此，对热障涂层材料和涂层结构的选择和设计优化也是非常必要的。

可重复使用的热防护系统（TPS）由在飞行任务中机械或化学性质不发生改变的材料组成，可以安全地重复使用多次（是否需要维护视情况而定）。NASA艾姆斯研究中心（Ames Research Center）的热防护材料部门开发了多种可重复使用的TPS产品，如基于硅酸盐的可重复使用瓷砖AIM、FRCI和AETB。该部门研究人员还因 Toughened Uni-Piece Fibrous Reinforced Oxidation-Resistant Composite（TUFROC）荣获2011年年度发明奖。



X-37B with TUFROC wing leading edge. 图源：NASA

铝增强热屏障（Alumina Enhanced Thermal Barrier，AETB）：是一种可重复使用的、更高温度的铝硼硅酸盐瓷砖。AETB-8 的密度为 0.13-0.15 g/cc，而 AETB-12 为 0.17-0.21 g/cc。AETB 由 Nextel® 纤维、氧化铝纤维、二氧化硅纤维和碳化硅组成，非常适合复杂几何形状的调节。典型应用包括中等热流的广面积区域。AETB 低到中等热流亚轨道任务的领先候选材料。

加固型单块纤维增强抗氧化复合材料（TUFROC）：是一款重量轻、模块化设计、便于更换的材料，是可重复使用热防护系统（TPS）技术的一次激动人心的飞跃，为涉及地球再入飞行器的航天发射服务等操作提供了更加经济和可持续的解决方案（多次成功用于X-37B任务）。TUFROC具有暴露表面设计和适当的材料组合，使得航天器能够承受初始上升中的机械应力，并在再入过程中承受极端加热和机械压力环境。它提供了一种热防护瓷砖连接系统，适用于航天器前缘及其他极端加热环境（表面温度可达2900°F（1593.33°C），短时间内可能更高）的应用。

艾姆斯绝热材料（Ames Insulation Material，AIM）：是一种可重复使用、低密度的硅酸盐瓷砖（例如，AIM-10 的密度为 0.16 g/cc），是一种由98.5%微石英纤维和1.5%碳化硅组成的绝佳隔热材料。典型应用包括需要低导热率的低到中等热流广面积区域。

纤维耐火复合隔热材料（FRCI）：是一种可重复使用的、更高强度的铝硼硅酸盐瓷砖，具有更好的耐用性、抗涂层开裂性和减重效果。低密度——FRCI-12 的密度为 0.17-0.21 g/cc。FRCI是一种由 Nextel® 纤维和二氧化硅纤维组成的优良隔热材料。典型应用包括需要高强度的低到中等热流区域，FRCI 低热流亚轨道任务的前缘候选材料。

高级柔性可重复使用表面隔热材料（Advanced Flexible Reusable Surface Insulation，AFRSI）：是一种用于中等气动热环境的陶瓷隔热毯。AFRSI是一种由机织硅纤维外层织物、机织玻璃纤维内层织物和用硅纤维线缝合在一起的硅纤维填料组成的隔热材料。自1974年起，AFRSI技术开始转移至工业领域，用于更大规模的生产并在整个航空航天行业中广泛应用。AFRSI被用于航天飞机轨道飞行器的大部分背风面，虽然其安装成本较低，但气动能力较弱，表面较粗糙。

近年来，随着SpaceX等商业航天企业的崛起，可重复使用航天器的隔热材料受到前所未有的关注。SpaceX的黑色隔热瓦便是这一领域技术突破的代表，其背后融合了NASA的技术积累与SpaceX的创新应用。

03

SpaceX的野心：可完全重复使用的隔热瓦

自从SpaceX的星舰成功展示其重新进入地球大气层的能力以来，那些返回地球的太空飞船是如何抵御住高温炙烤的问题也如此强烈的呈现在人们面前。

隔热瓦，一种能够抵御极端高温的特殊材料，作为星舰热防护系统的核心，师承NASA。传统的太空舱使用的是在高温下会发生化学反应并释放气体形成保护层的烧蚀隔热罩，但这种隔热罩需要在每次飞行后进行大量的维护。星舰采用了一种完全被动的热保护系统，没有化学反应，只通过材料本身阻止热量传导。

隔热材料必须同时满足多种苛刻条件，如高温耐受性：应对再入大气层时的极端热流，承受1600°C甚至更高温度而不失效；抗氧化能力：在高温氧化环境中保持稳定性，延长材料使用寿命；轻量化设计：减轻航天器负荷，提高燃料利用效率；机械强度与重复使用性：在发射、再入与着陆过程中，抵御剧烈的冲击与震动，支持多次任务循环等。



星舰隔热瓦。图源：SpaceX


SpaceX结合NASA的经验与自身研发能力，针对可重复使用航天器的需求对隔热瓦片进行了技术继承与创新优化。瓦片表层耐高温陶瓷涂层提供优异的热防护；采用低成本高效制造工艺（如模块化生产），实现批量化快速部署；考虑到重复使用的需求，在抗冲击、耐磨损方面进行专门优化。这些技术在SpaceX星舰项目的隔热瓦上得到了充分验证，其性能已支撑多次高温再入测试。


隔热瓦内部充满了细小的纤维和大量的空隙，这些空隙占到了瓦体积的90%。这种结构不仅轻便，还能够有效阻止热量的传导、对流和辐射。星舰隔热瓦的主要材料是硅酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃。为了增加强度和耐热性，还加入了氧化铝（蓝宝石纤维）。这些材料具有极高的熔点，并且经过特殊处理，能够在极端高温下保持稳定。

星舰隔热瓦的纤维结构使得热量必须通过蜿蜒的路径传导，从而极大地减缓了热传导的速度。由于星舰隔热瓦内部充满了空隙，这些空隙几乎都是真空，基本消除了对流的影响。星舰的隔热瓦通过选择合适的纤维尺寸，能够有效地散射这些光子，阻止热辐射的传递。

星舰隔热瓦的制造过程极为复杂，从材料选择到最后的涂层处理，每一步都需要精细操作。隔热瓦首先由玻璃纤维制成，这些纤维被混合成类似于纸浆的材料，然后通过微波加热使其形成稳定的结构。接下来，对其进行机械加工，使其符合航天器的形状，最后涂上一层防水涂层，再次加热固化。



由于隔热瓦的多孔结构，它们在潮湿环境中会吸收大量水分，这会影响瓦的重量和性能。因此，每次飞行前后，必须进行防水处理。这是一个复杂且耗时的过程，需要注入化学物质以排除水分。

虽然SpaceX在热防护系统上已经取得了显著成就，但仍有许多挑战需要克服。特别是隔热瓦的维护问题，仍然是实现快速可重复使用星舰的最大障碍。SpaceX也一直对星舰的隔热瓦进行优化升级。星舰S30的技术升级主要集中在热防护系统的改进，以满足更高的温度要求。此外，还增加了一些细节设计，旨在优化飞行器飞行器的性能和安全性，并为未来可重复回收任务提供了更多有力支持。

SpaceX在星舰第五次试飞中，对飞船的整个热防护系统进行优化，包括更换隔热瓦、增加烧蚀保护层、隔热瓦下方加入一层毛毡、更换隔热瓦粘合剂、增加填充材料等。



S30号飞船隔热瓦的拆除和安装。

在未移除毛毡的区域（飞船后侧）会直接安装新隔热瓦，这些区域可能经历的加热程度要低得多，不是隔热瓦缺失会导致破裂的区域。



S30号飞船烧蚀材料安装。

新烧蚀层是一块有孔结构的黑色材料，可以插入隔热瓦固定销，这种材料被安装在飞船的中央部分（油箱）、飞船襟翼的表面以及襟翼、静态启动元件上和飞船机身之间间隙的区域。



黑色烧蚀材料顶部、后襟翼烧蚀层及升级后的鼻锥增加了薄毡层。

SpaceX在每个安装了黑色烧蚀材料的表面都安装了一层额外的薄毛毡层，飞船的襟翼区域和中心部分涂有新的烧蚀材料，还额外增加毛毡层来提供保护，一层比原始毛毡薄的黑色烧蚀材料加上一层额外的薄毛毡层，厚度与之前基本保持一致。

除了更新隔热罩底层的配置外，SpaceX还更换了飞船绝大部分使用的三个固定销隔热瓦，但没有更换筒段接缝、襟翼气动盖、襟翼边缘等的粘合瓦片，可能SpaceX确定这些区域的热防护已经足够。



新型隔热瓦。

与S29号飞船类似，更换了两片外部纵梁和鼻锥尖端的粘合瓦片，并换上了新的升级款粘合剂。这次升级实际上不是第四次飞行测试的结果，而是从第三次飞行测试中吸取的经验。

与SpaceX对之前星舰鼻锥尖端和襟翼气动罩的处理类似，添加填充材料是解决瓦片间隙问题的有效方法。有问题的区域似乎是粘合的隔热瓦和前襟翼区域，这些隔热瓦的填缝剂本质上是在缝隙之间添加通常会粘在原处的毛毡。



隔热瓦上修整前的填缝剂，及襟翼边缘、前襟翼静态气动装置上的填缝剂。

SpaceX的目标是重复使用一切：发射系统、火箭、发动机，也包括最具挑战性的隔热罩。隔热罩可以说是可重复使用组件中最困难的部分，它由数以万计相互关联的小瓦片组成，管理和维护起来绝非易事。

要实现隔热罩的完全可重复使用，所有18000块隔热瓦必须经受住重返大气层不受损坏的考验，稍作简单整修就能立即做好再次飞行的准备。同时，多次可重复使用，意味着这些隔热瓦必须在多次飞行中保持耐用性。

马斯克在X上勾勒出一个清晰的愿景：我有信心，我们将在2025年研究出一种完全可重复使用、技术上可多次飞行的隔热罩，并在2026年很好地解决这个问题。虽然真正可重复使用的隔热罩从未被制造出来，但这一路线图与SpaceX持续创新和改进的努力完全一致。



SpaceX还为未来的火星任务测试了隔热罩设计，最近发布的测试视频展示了新版隔热罩能够经受住极其恶劣的条件，凸显了该公司致力于开发强大技术的决心。



SpaceX在S35的鼻锥上增加了显眼的红色瓷砖，这些瓷砖的试飞测试将为未来的迭代提供宝贵的数据。马斯克也曾提到要开发一种前所未有的金属隔热罩来取代目前的陶瓷砖，这将提供卓越的耐用性和可重复使用性。此外，使用水、甲烷或氮气的先进冷却系统也可能被集成到隔热罩中。这些系统可以帮助管理重返大气层时的极端温度，进一步增强隔热罩的性能。


S35鼻锥上的红色瓷砖。

04

二代星舰的首秀

北京时间1月17日，全新V2版本星舰飞船试飞的处女秀。可惜的是，星舰的第七次试飞以星舰二级在上升阶段发生了快速意外解体而遗憾告终。


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二代星舰飞船的试飞首秀。图源：SpaceX

在发射中，星舰升空后不久，就有细心的围观群众发现，星舰二级的舰体表面似乎出现破损。这是否给此次试飞埋下了隐患？



星舰飞船表面似乎出现破损。图源：SpaceX直播

为了解决星舰飞船重返大气层时，前翼面会承受极高热量的问题，甚至会出现被烧穿的情况，工程师对V2版本的前翼面进行了大胆创新：不仅尺寸更小，位置也更靠前，而且整体向背风面移动。这样的设计能让前翼面在再入大气层时更好地“躲”在二级箭体的背风面，显著降低星舰受到的热流冲击程度。

SpaceX再入相关技术负责人Lars Blackmore公开表示，前翼面设计花费了数月时间，理论上新型翼面全面优于旧版，但还需要实践检验。



从迎风面看V1和V2版前翼面对比。来源：StarshipGazer

V2星舰采用最新一代隔热瓦，并增设了备用层，以防部分隔热瓦缺失或受损。在此次发射中，SpaceX还故意拆除和减薄了部分表层隔热瓦，对星舰各处脆弱区域的热防护性能进行压力测试。



S33的隔热瓦，可见部分隔热瓦被故意减薄，以测试底层备用隔热瓦。图源：Starbase Surfer

部分区域还使用了全新的金属隔热瓦，有些具备主动冷却功能。SpaceX希望看看这种新型材料能否在飞船重返大气层时提供足够的保护，未来可能用它来替代现有的隔热瓦。
在星舰侧面，还安装了非结构性、不能承力的二级捕获钩，以测试突出部件在再入大气层时的热防护性能。此外，隔热瓦的线条边缘也进行了打磨与收窄处理，以解决第六次发射测试再入大气层期间观测到的热点问题。



二级增设的突出捕获钩，覆盖了隔热瓦。图源：NasaSpaceFlight

在此次发射中，SpaceX原本还将延续第六次发射时的做法，进行一项“极限挑战”——星舰重返大气层时，会故意选择一条较为“陡峭”的轨迹。这种情况下，星舰飞船的翼面会承受最大的气动压力，这能帮助工程师摸清楚星舰到底能承受多大的再入压力。

看似冒险的测试，其实非常有必要，这样做的目的是为后续的常规发射确定一个可靠的“安全区间”，能为日常任务预留足够的安全余地。

可惜的是，首飞的二代星舰还没到这一步，就“意外快速解体”。

05

后记

SpaceX计划在2025年底前进行25次飞行，雄心勃勃的试飞计划为测试和完善隔热罩技术提供了大量的充足机会。
正如马斯克所建议的那样，SpaceX可能在2025年将带有原始隔热罩的飞船重复用于1~2次飞行。到2026年，能够实现完全多次重复使用隔热罩的愿景。
星舰的热防护系统是航天技术的一大突破，它展示了人类在科学和工程方面的智慧，也加速了人类迈向深空探索的步伐为。
隔热技术将继续扮演连接梦想与现实的桥梁，每一次突破，都为探索太空和解决地球上的技术难题开辟新道路，让我们离星辰大海更近一步。

参考资料[1] SpaceX launches its most ambitious Starship test flight yet. Here’s what to know.[2] Moving into the Thirties: What's New on Starship 30?[3] Just Don't Melt: Flight 5's Upgraded Heat Shield.[4] SpaceX Catches a Super Heavy Booster During a Milestone Flight 5.
[5] 埃隆·马斯克传。中信出版集团（2023）

[6] SpaceX星舰隔热技术大揭秘，网友：原来这么复杂。科普老李（2024）

[7] 热防护材料烧蚀模型的研究进展。宇航学报（2024）
[8] SpaceX的野心：完全可重复使用的隔热罩。Achillesccj（2025）

[9] “筷子夹火箭”奇迹再现，但这次马斯克可能真要哭了。果壳（2025）


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