【加热测试技术在航天上的应用】阿尔忒弥斯2号：绕月飞行背后的“再入极热考验”

         当地时间2026年4月1日18时35分，美国国家航空航天局（NASA）“太空发射系统”（SLS）Block 1运载火箭搭载“猎户座”（Orion）飞船从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空，执行“阿尔忒弥斯计划”第2次载人绕月任务，这是自1972年12月“阿波罗17号”任务以来，人类时隔50多年后重新飞向月球。这是人类重返月球体系中的第一次载人深空飞行任务，其核心目标并非直接登月，而是完成一次绕月飞行，为2028年前后的载人登月任务进行全链路验证。作为本次任务最关键也最危险的环节，猎户座飞船返航时将以约每小时4万公里的速度再入地球大气层，预计将承受约2760℃的极端高温。而此前2022年11月阿尔忒弥斯1号无人任务中，猎户座飞船隔热罩曾出现超过100处开裂和剥落的问题，NASA并未更换阿尔忒弥斯2号的隔热罩，而是通过调整再入轨迹降低热负荷，这也让飞船的热防护系统成为本次任务的核心关注焦点。

阿尔忒弥斯2号点火升空|Kenny Holston/The New York Times

         一、引言：深空再入的极端热环境挑战

         阿尔忒弥斯2号的返回路径采用典型的“自由返回轨道”（Free Return Trajectory），利用地月引力场实现无动力返回。这一轨道设计的关键结果是：返回速度可达约11km/s（≈4万km/h）。

阿尔忒弥斯2号任务流程图|NASA

         航天飞行器从月球等深空轨道返回地球时，再入大气层速度接近第二宇宙速度（约11.2 km/s），显著高于近地轨道返回任务。以NASA阿尔忒弥斯2号任务所采用的猎户座（Orion）飞船为代表，其再入过程中，飞行器前方空气发生强烈压缩并形成高温激波层，气动加热效应极为剧烈，局部温度可达约2700℃量级。

         这种瞬态、高热流密度、强非均匀性的热环境，是深空载人任务面临的核心工程挑战之一。加热测试技术作为地面验证与飞行数据校核的重要手段，通过对再入热环境的等效模拟与材料响应测量，为热防护系统（TPS）的设计与优化提供关键支撑。

         二、再入气动加热机理与热环境特征

         1. 高超音速再入的热生成机制

         在高超声速再入过程中，飞行器前方形成强离体弓形激波，气流经激波后动能迅速转化为内能，导致气体温度急剧升高。同时，边界层内的粘性耗散进一步增强壁面热流输入。

         再入气动加热主要包括：

         （1）对流加热：主导热流来源；

         （2）辐射加热：在高焓流条件下显著增强；

         （3）烧蚀过程耦合效应：材料热解、气化对热流的反馈作用。

         在月球返回等高能再入条件下，辐射热流占比相较近地轨道显著提升，成为不可忽视的重要热源。

         2. 阿尔忒弥斯2号再入热环境的特殊性

         相较近地轨道返回任务，深空再入呈现出以下典型特征：

         （1）热流密度水平更高：峰值热流密度可达数MW/m²至10MW/m²量级；

         （2）高温持续时间更长：高温段持续时间显著延长；

         （3）空间非均匀性更强：钝头驻点区域、边缘区域存在明显热集中现象；

         （4）强热梯度效应：局部区域温差可达千度量级，引发显著热应力。

         三、地面加热测试技术：极端环境的等效重建

         1. 电弧风洞：高焓气动加热的核心模拟手段

         电弧风洞是航天再入热防护测试的核心地面设施，通过电弧放电将气体加热至高焓状态，形成高速等离子射流，实现对再入气动加热的等效复现。例如NASA曾在AEDC（阿诺德工程发展中心）、LaRC（兰利研究中心）等机构的电弧风洞开展了数百次测试.

         而针对猎户座飞船热防护系统，相关测试通常覆盖：

         （1）总焓：10–20MJ/kg量级

         （2）热流密度：数MW/m²至10MW/m²

         （3）多材料与结构级验证（如AVCOAT防热罩、密封结构等）

         测试对象：全尺寸AVCOAT烧蚀防热罩、舷窗组件、密封结构等关键部件；

         核心验证内容：考核防热材料在高温、高压、高速气流冲刷下的烧蚀速率、质量损失、表面形貌演化、隔热效率。通过地面测试与飞行数据对比，可持续修正气动热环境模型与材料响应模型。

         在阿尔忒弥斯1号无人任务后，针对隔热罩出现的局部异常磨损与材料脱落问题，团队通过电弧风洞的变焓、变压、动态热冲击测试，定位为AVCOAT材料内部气体排出不畅所致，并完成了材料配方与成型工艺的优化，相关改进直接应用于阿尔忒弥斯2号。

         2. 激光加热技术：局部极端热环境的补充验证手段

         激光加热技术具备高能量密度与空间可控性，可用于模拟局部热集中区域的极端热冲击工况，是电弧风洞的重要补充。

         其典型应用包括：

         （1）局部区域快速升温（高温梯度加载）

         （2）热冲击与热疲劳行为研究

         （3）涂层失效与界面脱粘机理分析

         该类方法特别适用于：舷窗边缘、结构过渡区、材料不连续区域等典型热集中部位的精细化验证。

激光加热测试（仅供参考）

         3. 核热真空与热循环试验：空间环境适应性验证

         深空再入过程需经历真空—高温—低温—高压的复合环境交变，热真空与动态热循环测试是验证TPS在轨可靠性的必要手段。热真空试验用于模拟深空环境中的热边界条件，典型能力范围为：

         （1）真空度：10⁻⁵～10⁻⁷ Pa

         （2）温度范围：约 -150℃ 至 +150℃（通过辐射加热实现）

         针对阿尔忒弥斯2号，测试核心内容通常包括：

         （1）热控系统稳定性

         （2）结构热变形与密封性能

         （3）多循环热载荷下的材料可靠性

         （4）空间环境效应叠加测试：耦合紫外辐照、高能粒子辐照，验证防热材料在多空间环境因子作用下的性能退化规律、长期稳定性。

         此外，通过加速热循环试验（分钟级或工程等效频率），可评估材料与结构在反复热载荷作用下的疲劳与退化行为。

         四、飞行测量与数据验证：真实热环境的获取

         1. 嵌入式温度测量体系

         在飞行器关键部位布置多类型温度传感器，是获取再入热响应的主要手段，包括：

         （1）高温热电偶（用于内部温度测量）

         （2）结构背温监测点

         （3）局部热响应传感器

         这些数据用于：

         （1）验证地面试验等效性

         （2）修正数值仿真模型

         2. 烧蚀与热响应的飞行后分析

         由于再入阶段存在等离子体通信黑障以及极端环境限制，部分关键数据通常通过：

         （1）飞行数据记录器存储

         （2）返回后材料与结构检测（post-flight inspection）

         进行综合分析，包括：

         （1）烧蚀深度测量

         （2）表面碳化与裂纹形貌

         （3）材料结构完整性评估

         3. 试验—仿真—飞行数据的闭环校核

         可以通过阿尔忒弥斯2号在轨加热测试数据通过天地一体化数据链实时传输至地面控制中心，与CFD仿真、地面测试数据进行多维度对比验证，修正滑移边界条件、热辐射模型、烧蚀动力学参数。从而不断提升热环境预测精度与工程可靠性。

         五、热防护材料与结构的加热测试验证核心

         1. AVCOAT烧蚀防热材料：极端环境的核心屏障

猎户座飞船采用的AVCOAT烧蚀防热材料，是典型的蜂窝填充式热防护结构，主要依赖材料热解与烧蚀过程实现隔热。其加热测试验证核心包括：

         （1）高热流条件下的烧蚀行为；

         （2）材料热解与气体释放特性；

         （3）背温控制能力（满足舱内安全要求）。

         在典型再入热环境（热流密度5–10 MW/m²、表面温度约2700℃）下，AVCOAT材料表现出稳定的烧蚀行为，其线性烧蚀速率通常处于0.05–0.3 mm/s区间。通过烧蚀过程中的热解与气体喷出效应，可有效降低壁面热流输入，实现背面温度控制在工程安全范围内（数十至百摄氏度量级）。

         阿尔忒弥斯1号飞行数据显示，局部区域存在烧蚀深度超出预测及炭化层剥落现象。针对该问题，后续任务对材料填充工艺与气体排出机制进行了优化，以提升烧蚀过程的稳定性与一致性。因此AVCOAT的关键不在“耐多高温”，而在于——能否在极端热流下“可控地烧掉自己”，同时保护结构不失效。

阿尔忒弥斯1号的猎户座飞船，防热大底出现异常烧蚀 | NASA

         2. 复合防热结构的力热耦合测试

         再入过程中，防热结构需同步承受高温、热应力、气动压力、振动的复合载荷。针对阿尔忒弥斯2号，通常可以通过超高温加热+力学加载复合试验系统，开展高温载荷下结构强度评估、热疲劳寿命分析、热冲击稳定性验证等等。例如：

         （1）热-力耦合试验：模拟1650℃高温与0.5MPa气动压力耦合作用下，结构疲劳寿命、裂纹扩展速率、极限承载能力；

         （2）热冲击与热震测试：1s内从室温升至2000℃，考核结构抗热震稳定性、无裂纹扩展、无分层脱落。

         以确保防热结构在复杂载荷耦合作用下的完整性。

         六、加热测试技术对航天深空探测的工程价值

         1. 任务可靠性的关键保障

         对于载人深空任务，热防护系统必须具备极高可靠性。加热测试技术通过地面模拟与飞行验证相结合，有效识别设计与工艺风险，提前暴露材料缺陷、结构设计缺陷、工艺瑕疵，避免再入过程中因热失效导致任务失败，是任务安全的重要保障手段。阿尔忒弥斯2号的加热测试体系，直接为后续阿尔忒弥斯登月、火星载人探测等任务确立了热防护验证标准。

         2. 驱动材料与结构持续优化

         通过加热测试数据反馈，推动防热材料、热控技术持续创新：优化AVCOAT材料配方与成型工艺，解决阿尔忒弥斯1号的局部烧蚀异常问题；研发主动冷却防热、智能热控涂层等新技术，通过加热测试验证其冷却效率，突破传统烧蚀防热不可复用的瓶颈。使热防护技术不断迭代升级

         3. 推动极端环境模拟能力提升

         随着深空探测任务复杂度提升，加热测试技术正向以下方向发展：

         （1）更高焓、更高热流密度模拟能力

         （2）多场耦合试验能力（热-力-环境）

         （3）数字化与智能化测试体系

         为未来更高能级再入任务提供支撑。

         七、结语

         在阿尔忒弥斯2号等深空探测任务中，再入气动加热问题是决定任务成败的关键因素之一。加热测试技术作为航天热防护领域的“试金石”，贯穿设计、研制到在轨验证的全流程。以电弧风洞、激光加热、热真空试验等为代表的等等一系列加热测试技术，构建了从地面模拟到飞行验证的完整技术体系。为人类时隔半世纪重返深空提供了关键安全保障。

         随着载人深空探测向月球基地、火星登陆等目标迈进，再入热环境将更趋极端，加热测试技术需向更高温、更精准、更智能、多场耦合方向发展——融合数字孪生、AI仿真、原位传感等新技术，实现极端热环境的全域模拟、实时监测、自主评估，为人类探索更远深空构筑更坚固的“隔热铠甲”。