引言

20 世纪 60 年代是美国历史上技术突飞猛进的一段时期。导热系数在决定材料工业应用中所起的作用终于变得显而易见，使其成为许多技术产品制造与设计中考虑的一个关键因素。在历史上，让导热系数及其他热学过程成为设备设计重要考量因素的决定性时刻，是轨道飞行器（Orbiter）飞船的建造与发射——它把第一批人类送上了月球。

一个信守的承诺。

1969 年 7 月 19 日，美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）和埃德温·「巴兹」·奥尔德林（Edwin "Buzz" Aldrin）成为有史以来第一批在月球上行走的人类。美国将人类送上月球的努力，源于约翰·F·肯尼迪总统（President John F. Kennedy）于 1961 年 5 月 25 日做出的一个承诺。肯尼迪宣布，美国将致力于在十年结束前把人类送上月球并使其返回地球。仅仅 8 年多之后，当尼尔·阿姆斯特朗迈出「个人的一小步，人类的一大步」时，他的承诺得到了兑现。美国历史上的这一时刻，仍因冷战的余波而笼罩在与俄罗斯的军备竞赛阴影之下。世界上两个最强大国家之间的这种竞争心态，激励着美国人实现成为第一个在月球表面插上国旗的国家的目标。这种地缘政治的紧迫感点燃了启动阿波罗任务的火焰，在投入大量的时间、精力和金钱之后，它最终促成了阿波罗 11 号任务的成功，这一任务如今在全球历史上赫赫有名。

图1：1969 年 7 月 24 日——理查德·尼克松总统迎接成功登月归来、处于隔离中的阿波罗 11 号宇航员。

阿波罗 11 号任务成功所需的大部分尖端技术，远远超出了当时大多数美国工厂的制造能力。关于材料热性质及其可能如何影响其功能的知识，仍被世界许多最杰出的工程师和科学家们研究着。总统提出的这一目标——将人类送上月球——推动了许多研究人员更深入地探究诸如导热系数等性质的作用，以及它在一件高度精密设备成功中所扮演的角色。

罗纳德·泰伊（Ronald Tye）——现代导热系数的先驱

罗纳德·泰伊就是这样一位绝顶聪明、在传热领域拥有渊博知识的个体的例子，他加入了开发创新热技术的事业。在其长达七十年的事业生涯中，泰伊经历了获取准确热性质测量的持续发展，以及各类材料中传热机制的应用。终其一生，罗纳德·泰伊为科学界做出了许多重大贡献，这些贡献无疑为阿波罗 11 号等诸多任务的成功增砖添瓦。他毕生致力于挖掘材料热性质的全部潜力，正因如此，他如今被视为现代导热系数的奠基人之一。

图2：罗纳德·泰伊——现代导热系数的奠基人。常被称为文艺复兴式的通才。

进入太空的热学要求。

由罗纳德·泰伊等备受推崇的科学家为热学行业做出的贡献，为阿波罗 11 号任务所用设备的精炼与开发铺平了道路。用于阿波罗 11 号任务的航天飞机——轨道飞行器——的设计，给 NASA 的工程师带来了许多热学挑战，尤其是在隔热方面。所选的系统不仅必须在极高的温度下表现良好，还必须能将自身集成到其他子系统中。为了使航天器上的结构在暴露于这些高温时保持结构完整性，它们必须重量轻、可重复使用、成本低，并提供足够的隔热。航天飞机还要求对轨道碎片的易损性低，并且必须具备低导热系数。航天飞机上的外部贮箱也要求足够的隔热和高热阻，以确保低温燃料——液氢和液氧——得到保护。用于建造航天飞机的材料，必须有助于在往返月球的整个旅程中保持足够的结构完整性。

抵达月球

首次登月历经 8 年打造，进行了 10 次练习飞行，汇聚了 40 多万名工程师、科学家和技术人员的智慧。一个内部空间不比 SUV 内部更大的舱体，将作为三名宇航员在执行名为阿波罗 11 号的任务期间的居住舱。这个舱体位于一枚 11 米高的土星五号（Saturn V）火箭顶端，这是当时飞行的最强大的火箭。

座舱与热防护罩设计

这次非凡的远征标志着历史上第一次将一些最新开发的热技术最终付诸检验。其中大部分技术用于建造热防护罩，以在宇航员返回地球途中重新进入地球大气层时保护他们。座舱达到了高达 25,000 Mph 的速度，其返回期间产生的摩擦温度测得超过 5000 华氏度。为了更好地说明这架航天飞机穿越的极端环境：如此高的温度足以将大多数金属完全汽化。为解决这个问题，当时一家名为 Avco 的马萨诸塞州公司构造了一种新型的类似树脂的材料，它能在自身表面逐渐烧蚀的同时保护座舱免受高温，从而帮助消散重返大气层期间所经受的热量。这种树脂材料被纳入一个包围座舱的蜂窝状骨架中。这一骨架旨在容纳并有效分布热防护材料。蜂窝骨架的厚度因其应用的区域而差异极大，以便在该特定位置提供所需的必要热防护。该蜂窝结构包含 370,000 个独立的单元，全部由人使用略微改装的填缝枪手工填充树脂。这需要一种极其精细的技术，「枪手」们必须接受两周的训练，之后才被允许靠近真正的太空座舱。骨架的大部分由层压粘合在铝合金板之间的铝层制成。这个座舱的热性质和整体性能可以说是整个阿波罗任务最重要的部分之一，因为在他们的整个旅程中，正是这个座舱承载着三名宇航员。

图3：阿波罗 11 号任务指挥舱上的蜂窝细节。

阿波罗 11 号任务标志着人类首次在物理上离开航天器后从太空返回。这意味着航天飞机的热防护必须是可重复使用的，以便航天飞机能够在其从太空返回的途中重新进入地球大气层。此前的太空之旅都是单程的，不需要着陆然后再从太空起飞所需的先进技术。为迎接这一新挑战，NASA 的工程师们开发了一种刚性二氧化硅/氧化铝纤维材料，能够承受施加在轨道飞行器迎风面上的热学要求。然而，这种创新材料缺少航天飞机机头和机翼所需的热学性能，因为这些部位所暴露的热环境比航天飞机主体更为严酷。

图4：女性「枪手」正在手工为每个蜂窝单元填充热防护树脂。

机翼和机头的热防护

在阿波罗 11 号任务的整个过程中，轨道飞行器的机翼和机头承受了大部分热量。在建造轨道飞行器这些关键部位时，选用了一种碳-碳复合材料。这种复合材料包含一种具有极高热渗透率的涂层，有助于分散和散发多余的热量。这种独特的碳材料由 Vought Cooperation 与 NASA 合作开发。增强碳-碳是通过将填充了酚醛树脂的石墨织物在能形成轨道飞行器机头和机翼前缘轮廓的复杂模具中铺设并固化而制成的。碳在高温下会氧化，因此需要碳化硅涂层来保护碳基体。如果发生任何氧化，都可能严重影响材料的强度和结构完整性，因此设计者和建造者必须确保将这一过程尽可能降到最低。增强碳-碳的功能可归因于它通过外部辐射排出热量的能力。这意味着它能高效地将热量从系统传递到周围环境。增强碳还具有出色的表面发射率，能通过向太空辐射来排出热量。尽管碳-碳材料的设计目的是为物体隔热，但碳本身具有相对较高的导热系数，意味着它能高效地让热量穿过。在建造轨道飞行器这些部位时，不得不加入额外的材料，以弥补碳那高得不理想的导热系数。

航天服设计

阿波罗 11 号任务期间另一个至关重要却常被忽视的方面，是三名登月宇航员所穿航天服背后的热学设计。这些航天服由 12 层嵌套织物组成，极为坚固、耐用且柔韧。这些航天服由 Playtex 公司制造，正是这家公司在 20 世纪 60 年代为美国人提供了「cross your heart」文胸。航天服织物所用的一些材料，直接改编自 Playtex 在其文胸和束腹中使用的材料。组装航天服是一项极其艰苦的任务，必须完全手工完成。来自 Playtex 工业部门的女性挺身而出迎接这一挑战，建造出这些在月球周围严酷环境中保护宇航员的航天服。Playtex 的这个部门如今是一家名为 ILC Dover 的独立公司，五十年后，他们仍在制造 NASA 的所有航天服。

图5：宇航员埃德温·「巴兹」·奥尔德林。阿波罗 11 号的登月舱驾驶员。

结论

如果没有对导热系数的深入理解，阿波罗任务中这些关键组件中几乎没有哪一个能够像当初那样有效、高效地被设计出来。包括罗纳德·泰伊这样的导热系数领域专家在内，成千上万杰出科学家在这一领域的贡献，使得像人类在月球上行走这样宏大而具有里程碑意义的任务成为可能。从为轨道飞行器机身开发的创新材料，到航天服所需的缝线类型，这一任务的每一个方面都对其整体成功至关重要，没有导热系数，阿波罗 11 号任务是否甚至可能实现都成问题。正是导热系数领域及其应用中的这类进步，为更好地理解材料热性质在精密技术设备设计中所起作用铺平了道路。这十年间所获得的许多热学知识，至今仍极具现实意义，被许多人用来充分挖掘某件设备的潜力。