文/王春明 梁馨 方洲 李翔 范海波；圖/航天科技集團一院703所

7月23日長征五號遙四運載火箭成功發(fā)射，備受矚目的火星探測器“天問一號”被送入預定軌道。

這是我國首次火星探測任務，將在完全陌生的火星環(huán)境下，一次性實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三大任務，對火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測，并在火星表面開展區(qū)域巡視探測，這在世界航天史上也屬于首例。

天問一號是通過一個著陸巡視組合體來完成著陸和巡視兩項任務的。著陸巡視組合體包括進入艙和火星車兩部分，進入艙負責著陸，火星車負責科學探測。

奔向火星的過程中，最大的難點在于在再入、下降與著陸過程中，要將探測器的時速從兩萬多千米/小時降低至0。如何做好探測器的熱防護，關(guān)系著火星車能否安全到達火星表面開展相關(guān)工作，關(guān)系著“天問一號”探測任務的成敗。

墜入火星，探測器都經(jīng)歷什么

與月球不同，火星上也存在大氣層。雖然火星大氣比地球要稀薄一些，但在著陸器高速進入情況下，與大氣層的高速摩擦也會使著陸器表面溫度急劇升高，就如同一顆流星一樣，如果不進行有效的防護，就將燒毀在大氣層中。

別看火星上大氣密度只有地球的1%，但其大氣中二氧化碳占95%，氮氣占3%，與從地球軌道上返回的飛船相比，著陸火星的探測器在高熱狀態(tài)下會發(fā)生更加復雜的物理化學反應。人類探測火星起步于20世紀60年代，2020年之前共實施了44次火星探測任務，其中美國20次，蘇聯(lián)/俄羅斯20次，歐洲2次，日本1次，印度1次，任務形式包含掠飛、環(huán)繞、著陸及巡視探測。只有24次任務取得了成功或部分成功，成功率54.5％，可見火星探測器成功著陸的難度有多高。

為了安全地護衛(wèi)“天問一號”成功著陸，中國航天科技集團有限公司一院703所根據(jù)探測器形狀、不同部位所承受的氣動載荷及熱流密度的不同，“量體裁衣”創(chuàng)新研制了三種材料，分別是超輕質(zhì)的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料、連續(xù)纖維增強中密度防熱材料和超輕質(zhì)大面積防熱涂層材料。

這三種材料協(xié)同作戰(zhàn)，在探測器著陸的時候，材料表面與火星大氣摩擦并發(fā)生復雜的物理化學反應，同時帶走大量的熱，同時材料內(nèi)部還具有良好的保溫隔熱性能，雖然表面“熱浪滾滾”，里面卻依舊“涼爽宜人”，有效保護探測器不被燒壞。

新型防護材料有哪些過人之處

火星距離地球較遠，為使運載火箭推送的更遠，天問一號探測器的重量不能過大，因此對探測器防熱結(jié)構(gòu)的重量要求也達到了十分苛刻的程度，在如此嚴苛要求下又要完成熱防護使命，因此必須采用最優(yōu)化設計，盡可能“榨干”防熱材料的防熱性能和防熱效率。

“天問一號”探測器著陸過程中，受熱最嚴重的大底部分采用的是超輕質(zhì)的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料。這種材料可以說是空間飛行器防熱的一員“老將”?！吧裰邸陛d人飛船、月地高速載入返回飛行器中，蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料都發(fā)揮了熱防護的關(guān)鍵作用。

蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料材料樣件

此次火星探測器上采用的是配方優(yōu)化設計的新型超輕質(zhì)蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料。跟它的“前輩”們相比，此材料強度更高、密度更低，并且可以根據(jù)承受的氣動載荷分布對蜂窩格子進行變厚度優(yōu)化設計，在保證探測器拐角部位能夠耐受更嚴苛的氣動載荷的情況下，使整個結(jié)構(gòu)的材料重量更加輕質(zhì)化。

探測器大底結(jié)構(gòu)的直徑達到3.4m左右，共計約70000個蜂窩格子，團隊采用整體成型工藝，確保了在如此多的蜂窩格子中材料一次性灌注到位，不論是成型效率、成型質(zhì)量還是成型可靠性都達到國際領(lǐng)先水平。整個探測器大底結(jié)構(gòu)具有非常好的整體性，確保了其在奔向火星的過程中承受高低溫交變的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

探測器大底大面積使用超輕質(zhì)的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料

除了大面積的低密度燒蝕防熱材料之外，探測器的其它部位還需要一些更具承載能力的防熱材料，為此，團隊還研制了連續(xù)纖維增強中密度防熱材料，既能滿足結(jié)構(gòu)要求，又具備輕質(zhì)特點。該材料主要用作探測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度更高，兼顧了耐燒蝕和承載能力。

而在受到熱流相對較低的背罩結(jié)構(gòu)上，團隊采用的是超輕質(zhì)的燒蝕防熱涂層材料。該材料基本熱物理性能達到國際先進水平，不僅隔熱性能優(yōu)良，也對著陸器的減重起到重要作用。同時，還充分考慮發(fā)射場的環(huán)境影響和真空總質(zhì)量損失等要求，持續(xù)優(yōu)化材料，使其耐鹽霧、耐濕熱性能均通過試驗，真空總質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)份均滿足設計要求。

超輕質(zhì)防熱涂層材料

三種材料協(xié)同作戰(zhàn)

這三種材料在結(jié)構(gòu)、配方及工藝設計時，還需要考慮的一個重要因素就是它們之間的結(jié)構(gòu)熱匹配性。探測器飛向火星的時間較長，由于軌道的變換和距離太陽的遠近，防熱材料在飛行過程中要承受極低的溫度以及高低溫度的循環(huán)交變，“冰火兩重天”很容易導致材料發(fā)生開裂、脫落等災難性問題。

在這樣的惡劣條件下，三種防熱材料和結(jié)構(gòu)需要與著陸器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持良好的結(jié)構(gòu)熱匹配性和完整性。團隊通過工程計算、數(shù)值模擬及必要的地面試驗等方法，設計模擬三種材料在極低溫、高低溫交變的空間環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化及燒蝕匹配性，再根據(jù)實驗結(jié)果進行優(yōu)化設計，最終確保這三種材料的匹配性和完整性，使它們能夠在茫茫太空中“協(xié)同作戰(zhàn)”，為探測器安全抵達、順利著陸保駕護航。