5月15日，“天問一號(hào)”在火星著陸。著陸前，“天問一號(hào)”經(jīng)歷了“恐怖9分鐘”：著陸器高速進(jìn)入火星大氣層，與大氣層摩擦后，著陸器表面溫度急劇升高，如同一顆流星經(jīng)歷高溫灼烤。
著陸防熱技術(shù)是保證探測(cè)器安全著陸的關(guān)鍵，直接關(guān)系任務(wù)成敗。作為此次“天問一號(hào)”著陸器防熱技術(shù)的主要研制單位，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院航天材料及工藝研究所研究員梁馨告訴記者，火星大氣中二氧化碳占95%，氮?dú)庹?%。經(jīng)歷高溫灼烤的著陸器，在有別于地球大氣的環(huán)境下，將發(fā)生更加復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，著陸環(huán)境更加嚴(yán)苛。航天材料及工藝研究所量體裁衣地設(shè)計(jì)研制了三種材料，協(xié)同作戰(zhàn)守護(hù)“天問一號(hào)”安全著陸火星。
超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)燒蝕防熱材料密度更低防熱效率更高
蜂窩增強(qiáng)輕質(zhì)燒蝕防熱材料是空間飛行器防熱的一員“老將”。“神舟”號(hào)載人飛船、月地高速再入返回飛行器、“嫦娥五號(hào)”月球探測(cè)器中，蜂窩增強(qiáng)輕質(zhì)燒蝕防熱材料都發(fā)揮了熱防護(hù)的關(guān)鍵作用。
此次火星探測(cè)器上采用的是經(jīng)配方優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)燒蝕防熱材料。
與“前輩”相比，此材料密度更低、防熱效率更高，并且可以根據(jù)承受的氣動(dòng)載荷分布進(jìn)行變厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證探測(cè)器拐角部位能夠耐受更嚴(yán)苛的氣動(dòng)載荷的情況下，讓整個(gè)結(jié)構(gòu)的材料更加輕質(zhì)化。同時(shí)，探測(cè)器大底結(jié)構(gòu)具有非常好的整體性，確保在奔向火星過程中，即使承受高低溫交變，也能保證結(jié)構(gòu)的可靠性。
該材料密度約為0.36克/立方厘米，每平方米可承受1.5兆瓦的熱流環(huán)境，可耐受火星大氣以CO2為主的特殊氣氛氣動(dòng)加熱。探測(cè)器大底結(jié)構(gòu)的直徑達(dá)到3.4米左右，包括約70000個(gè)蜂窩格子，團(tuán)隊(duì)采用整體成型工藝，確保了在如此多的蜂窩格子中材料一次性灌注到位。
連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱材料兼顧耐燒蝕和承載能力
由于火星距離地球較遠(yuǎn)，為使運(yùn)載火箭推送得更遠(yuǎn)，“天問一號(hào)”不能過重，需要盡可能“壓榨”防熱結(jié)構(gòu)及材料重量。除了超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料，團(tuán)隊(duì)還研制了連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱結(jié)構(gòu)一體化材料，既能滿足結(jié)構(gòu)要求，又具備輕質(zhì)特點(diǎn)。
該材料主要用于探測(cè)器大底及背罩防熱結(jié)構(gòu)的艙蓋、封邊環(huán)、埋件、螺塞等零部件，相比較低密度材料，其強(qiáng)度更高，密度約為0.9克/立方厘米，兼顧了耐燒蝕和承載能力。該材料使用了三元長纖維組成的SPQ纖維布增強(qiáng)體系，并將輕質(zhì)填料引入到連續(xù)纖維增強(qiáng)的預(yù)浸料中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)連續(xù)纖維增強(qiáng)燒蝕防熱材料的輕質(zhì)化。
超輕質(zhì)燒蝕防熱涂層材料隔熱性能優(yōu)良
與探測(cè)器大底直面火星大氣沖刷不同，背罩結(jié)構(gòu)在著陸器側(cè)面，受到的熱流相對(duì)更低，因此，二者在防熱上要求不同。對(duì)此，航天材料及工藝研究所研制出超低密度防熱涂層材料，密度僅為0.28克/立方厘米左右，熱導(dǎo)率低至約0.06瓦每米開，不僅隔熱性能優(yōu)良，也能給著陸器減重。
不僅如此，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過攻關(guān)，解決了防熱涂料傳輸技術(shù)難題，利用噴涂機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了背罩結(jié)構(gòu)表面超低密度防熱涂層材料的機(jī)械臂施工，解決了手工施工均勻性差的問題，提高了涂層的施工質(zhì)量和效率。
梁馨同時(shí)表示，探測(cè)器飛向火星的時(shí)間長達(dá)8個(gè)月，由于軌道以及距離太陽遠(yuǎn)近的變化，防熱材料還要承受極低的溫度以及高低溫度循環(huán)交變，“冰火兩重天”很容易導(dǎo)致材料出現(xiàn)開裂、脫落等災(zāi)難性問題。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過工程計(jì)算、數(shù)值模擬及必要的地面試驗(yàn)等方法，最終確保這三種材料能夠在茫茫太空中“協(xié)同作戰(zhàn)”，為探測(cè)器安全抵達(dá)、順利著陸保駕護(hù)航。
標(biāo)簽： “天問一號(hào)” 質(zhì)量 效率 防熱
