China recently launched the Tianzhou-9 cargo spacecraft to deliver supplies to its Tiangong space station in orbit. This routine yet crucial "delivery" mission has once again captured the public's attention.

    During its journey into space and back to Earth, the spacecraft travels through the atmosphere at speeds exceeding 7 km/s — 30 times faster than a civilian airliner. These astonishing speeds cause air currents to cascade over the spacecraft's surface, rapidly increasing its temperature to between 2,000°C and 3,000°C. So how did Tianzhou-9 complete its mission in space and land safely back on Earth under such extreme circumstances?

    According to Yuan Yuan, an engineer at the China Academy of Launch Vehicle Technology, Tianzhou-9's safe re-entry from the Tiangong space station is ensured by a combination of thermal protection systems and controlled atmospheric entry.

    Generally, this involves a three-step approach: a heat shield, an aerodynamic design to provide stability, and precise trajectory control to manage heat loads and avoid structural damage during atmospheric passage. To begin with, heat shields made of specialised materials that can withstand extreme temperatures during atmospheric re-entry are attached to the metal hull of the spacecraft. These materials are designed to burn away in a controlled manner, dissipating heat and protecting the interior of the spacecraft.

    However, this passive heat shielding approach has its limitations. Although a thicker heat shield offers better thermal protection, it also increases the weight of the spacecraft. Therefore, engineers have considered active heat dissipation. They designed the spacecraft's structure to have numerous tiny holes, similar to human pores, and filled it with a special liquid. When the temperature rises, the liquid absorbs heat and evaporates, dissipating some of the heat — the same principle that makes us feel cool when we sweat. This biomimetic heat dissipation method enables the spacecraft to regulate its temperature more effectively in high-temperature environments.

    In addition to heat shielding and dissipation, the spacecraft's trajectory is meticulously planned to minimize the duration and intensity of exposure to high temperatures during re-entry. For example, the Chang'e-6 returner reached a speed of 11 km/s when entering the atmosphere. If it were to pass directly through the atmosphere and land, the maximum temperature could reach 10,000°C — twice the temperature of the Sun's surface — and the return capsule would likely be severely damaged. Therefore, engineers optimized the flight path using a method similar to skipping stones on water, slowing the returner to 7 km/s before passing through the atmosphere. This design significantly reduced the severity of the heat and ultimately ensured a safe landing.

    Addressing the thermal protection problem for aircraft may seem as simple as improving the heat resistance of materials, but in reality it requires the coordinated efforts of various disciplines, including structural and trajectory design. This is the beauty of aerospace systems engineering: every system and every discipline interacts with and relies on each other to ultimately achieve system optimisation, said Yuan.