热盾用于在航天器进入大气层时抵御高温与气动加热，保护航天器结构及载荷。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院的航天工程师在最新实验中观察到，热盾材料在含氧大气与富氮大气中的烧蚀行为存在显著差异，可能带来碎片抛射风险。

研究团队指出，烧蚀型热盾表面在高温下会通过化学反应产生气体并排出，使材料以剥落或烧蚀方式消耗，从而带走热量并保护航天器。在这一过程中，材料会以块状和颗粒形式被侵蚀并飞散，部分碎屑还会重新沉积在表面。航天工程系教授弗朗切斯科·帕内赖（Francesco Panerai）表示，这类沉积物可能堵塞热盾表面，进而影响其性能。

上述结论来自一系列在超音速飞行中心Plasmatron X风洞开展的测试。该装置用于模拟高超音速飞行时遭遇的大气环境。团队重点研究了酚醛浸渍碳烧蚀材料（Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA），该材料是NASA主要热盾技术之一，已广泛用于火星探测任务，并被选用于保护“蜻蜓”号进入土星最大卫星泰坦。

论文《低密度碳纤维烧蚀材料的不稳定剥落》已发表在《Carbon》杂志。帕内赖在研究中称，最出乎意料的发现是气体成分变化会导致烧蚀行为改变：在含氧的经典空气环境中，烧蚀表现为稳定过程，气流持续侵蚀表面并不断抛射颗粒；而在去除氧气后，颗粒抛射转为不稳定的间歇性爆发，部分情况下过程更为剧烈。

帕内赖表示，尽管相关研究不断推进，但对烧蚀机理的理解仍存在空白，尤其是缺氧环境下剥落行为为何发生变化。为量化这一现象，团队使用高速成像与颗粒追踪技术测定颗粒抛射速率并估算剥落质量损失，并在测试后通过显微镜与光谱分析表征表面形态与化学成分。

帕内赖特别提到，其博士生本·林格尔（Ben Ringel）利用伊利诺伊材料研究实验室与贝克曼研究所的设施开展进一步分析，通过显微镜阵列确认不稳定现象与材料中碳的沉积有关。帕内赖补充称，研究揭示的影响因素不仅包括摩擦作用，也涉及材料内部压力积聚。

在解释风洞观测结果时，帕内赖联想到阿尔忒弥斯1号任务热盾出现的异常炭化损失。他表示，NASA的调查显示，当材料过于致密、渗透性不足时，反应气体可能被困在内部并导致压力升高，最终以爆发方式造成大块剥落，从而可能影响航天器完整性。帕内赖称其一直关注NASA的相关调查进展，并指出尽管材料不同，但“无法‘呼吸’”的现象具有相似性。

帕内赖强调，这些发现对NASA准备将“蜻蜓”号送入主要由氮气和微量甲烷组成的泰坦大气层具有重要参考价值。研究团队指出，Plasmatron X测试条件较NASA预计的泰坦进入条件更为极端，但PICA热盾侵蚀产生的颗粒仍可能对用于观测进入流场、测量泰坦大气特性的机载仪器带来影响。

研究团队表示，这项工作未必会直接改变热盾设计，但有助于加深对材料物理学的理解，即材料在极端温度下的行为方式；识别该现象在飞行中何时变得显著，将为后续热盾优化提供依据。