“太空芭蕉扇”

　　你大概看见过流星吧，在满天星斗的夜晚，它拖着长长的火光，从天上飞流而下……由此，你可能会想到，一个高速飞行的物体与空气剧烈摩擦所放出的热量是相当大的，而洲际导弹、返地卫星和航天飞机等再入大气层时，肯定也会发生类似的现象。那么，它们为什么没有被烧成灰烬？莫非它们身上带有“芭蕉扇”把“火焰山”的烈火扇灭了不成？

　　这个问题提得很有道理。

　　我们知道，射程一万多公里的洲际导弹并不是像普通炮弹那样在大气层中飞行，而是先依靠火箭的强大推力迅速地冲出大气层，然后在高空拐弯，利用它的飞行惯性再入大气层后，一直朝目标飞去。有些卫星，例如科学探测卫星、侦察卫星等，在空间完成预定任务后，它们的返回舱要重新返回地面，因此叫返回式卫星或近地卫星。当洲际导弹的弹头或返地卫星的返回舱重新进入（又称再入）稠密的大气层时，由于以几倍乃至十几倍声速的速度俯冲下来，所以它们的动能非常大，1000克质量所产生的动能高达28×106焦耳。这些能量转化成热，足以把30公斤的钢加热到沸腾。动能这样大的物体也必然会同流星一样，同大气发生剧烈的撞击和摩擦，在它们前头产生一个高达100多个大气压力以上的冲击波，并将波前的大气加热到七八千℃。在这样高的温度下，任何金属都会立即气化。

　　据理论计算和实验表明：卫星、导弹等再入大气层时，其头部迎风面的热量约占总热量的98％，流到后身的热量只有2％左右。因此，要使它们安然无恙，关键是要解决它们头部的耐高热问题。

　　怎样解决呢？科学家们对高温金属和陶瓷等试验之后，认为走单一材料的路，都没有办法克服高温和脆裂这两道难关，唯一的出路是找复合材料。

　　提起复合材料，也许有人感到陌生。其实，我们日常接触到的三合板、钢筋水泥等都是复合材料。两种性质截然不同的物质紧密地粘合在一起，各自发挥自己的长处，于是就得到了比它们单独使用时性能更加优异的新材料。

　　50年代初，美、英等国首先开发出第一代复合材料——玻璃钢，即用像棉花那样细软的玻璃纤维浸沾上像胶水一样的环氧树脂加热固化制成的。其突出的优点是强度高、重量轻、耐酸碱。但是，它的主要缺点是不耐高温。

　　1960年，有两个澳大利亚的化学家：一个叫布洛克，另一个叫泰尔，把沥青加热时，发现在熔化的沥青中竟然出现了许多球状的液态晶体。在液晶中，沥青的分子排列得十分整齐；而在球晶外面，沥青的分子是杂乱无章的。他们的发现起初没有被人们注意，到了1970年才引起美国联合碳化物公司的重视。这家公司的专家把沥青经过精制以后，将沥青球晶进行聚合，做成沥青纤维。再将这种纤维在绝氧条件下进行高温碳化，得到沥青碳纤维。与此同时，英国皇家航空研究所等，用人造丝（尼龙）、腈纶（人造羊毛，现在不少人喜欢用它织毛衣）等，用高温碳化方法也获得类似的纤维。因为这类纤维分子中的骨架全是碳，故得名为“碳纤维”。其中，沥青碳纤维性能最好。如果说，用200公斤的力就可以使腈纶和人造丝碳纤维变形的话，那么要用600公斤的力才能使沥青碳纤维变形。这种高强度、高模量（不易变形）的沥青碳纤维，同有机树脂复合经加压和烧结之后所形成的碳／碳复合材料，比起玻璃钢当然要好得多，因而特别适合做远程导弹和近地卫星前沿的头帽。它有两大优点：

　　第一，不仅能耐高温，而且比重更小。对洲际导弹来说，这意味着每减少1公斤重量，则增加300公里射程；对宇宙飞船和航天飞机来说，每减轻1公斤自重，则可减少200多公斤的推力，大大节省火箭材料。

　　第二，沥青碳纤维复合材料在超高温和高气流的冲击下不可能一点不烧蚀，但是，因为它强度高，彼此结合非常牢固，所以烧蚀速度很慢，并且在燃烧后结成一层非常坚固而疏松的“海绵体”。这层只有两三厘米厚的海绵体，既可防止进一步烧蚀，又可起隔热作用，使内部的设备仪器安然无恙。