高速图像帧展示了超音速氮气中极端粒子爆发事件。极少数情况下，粒子会逆流而上，表明存在压力驱动的喷射机制。图片来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校
伊利诺伊大学航空航天工程实验室发现氧气与氮气环境下热防护罩失效差异，提示未来探测器设计需考虑高压碎屑问题
在伊利诺伊大学阿布纳-香槟分校（University of Illinois Urbana–Champaign）Grainger 工程学院的航空航天工程系，Francesco Panerai 教授及其团队通过高超音速风洞实验，首次系统性地观察到在含氧大气（如地球）与富氮大气（如金星、土星卫星泰坦）中热防护罩（heat shield）失效机制的根本差异。研究结果将对未来火星、泰坦乃至更深空探测任务的热防护设计产生重要影响。
研究背景热防护罩是航天器进入大气层时的“护盾”，其表面通过化学反应产生的气体被排除，导致材料“烧蚀”（ablation）并脱落，形成一层保护层。此前对不同大气成分的影响研究大多局限于理论或单一实验，缺乏系统量化数据。
Panerai 教授指出：“热防护罩的表面必须‘呼吸’，以防止内部气体积压导致失效。” 但在实验中，他发现“沉积物会遮蔽表面，堵塞通道，影响热防护性能”。
实验设计与方法关键实验设备
说明
Plasmatron X 超音速风洞
位于高超音速与进气系统研究中心（Center for Hypersonics and Entry System Studies），能够模拟超音速飞行中的大气条件。
Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA)
NASA 主要的热防护材料之一，用于火星探测器及泰坦探测器 Dragonfly。
实验采用高速度成像和粒子跟踪技术，量化颗粒喷射速率，并估算材料损失。实验结束后，对残留表面进行显微镜和光谱分析，以确定沉积物的形态与化学成分。
关键发现氧气环境下的稳定烧蚀
在含氧（类似地球）的大气中，热防护罩表面以稳定速率被侵蚀，颗粒持续排放，形成均匀的碎屑流。
富氮环境下的非稳态烧蚀
当氧气被移除，材料表现出“间歇性爆发”式的颗粒喷射，偶尔出现剧烈的碎屑喷射。
这与此前任何研究均未观察到的“非稳态烧蚀”现象相吻合。
沉积与气体渗透
通过在伊利诺伊材料研究实验室（Illinois Materials Research Lab）和 Beckman 研究所使用的显微镜阵列，Ben Ringel 博士研究生证实，非稳态现象源于碳材料内部沉积导致气体渗透受阻，进而产生局部压力升高与碎屑喷发。
与 Artemis 1 事件的相似性
Panerai 教授指出，Artemis 1 任务中热防护罩出现的异常炭化失损（char loss）与实验观察到的非稳态烧蚀机制相似，强调材料渗透性的重要性。
学术与工程意义对 NASA 与国防部门的启示
NASA 正在筹划将 Dragonfly 探测器送入以氮为主、微量甲烷组成的泰坦大气。实验表明，PICA 在富氮环境下的非稳态碎屑生成可能对探测器的航电设备产生影响。
尽管实验条件比实际泰坦入口更极端，但碎屑对流场观测仪器和大气特性测量的潜在影响值得重视。
推动热防护罩设计优化
研究表明，材料在极端温度下的行为受气体渗透性与内部压力积聚影响。了解何时非稳态烧蚀会在实际飞行中显现，可为未来热防护材料的微结构优化提供指导。
勇编撰自论文"Unsteady spallation of low-density carbon fiber ablators".Carbon.2026相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。