文章來源：中國復(fù)合材料學(xué)會

作者 | 趙云峰，副總師，航天材料及工藝研究所研究員

（圖片來源：中國航天科技集團）

7月23日，長征五號遙四運載火箭成功發(fā)射，將火星探測器“天問一號”送入預(yù)定軌道，火星之旅正式啟航。這是我國首次火星探測任務(wù)，將在完全陌生的火星環(huán)境下一次性實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三項任務(wù)。

接下來，“天問一號”最重要的步驟之一就是著陸，眾所周知，探測器著陸要在極短的時間穿越火星大氣層，經(jīng)歷“恐怖七分鐘”。在這7分鐘里，探測器高速進(jìn)入大氣層，與大氣層摩擦?xí)蛊浔砻鏈囟燃眲∩?，就如同一顆流星一樣經(jīng)歷高溫灼烤；由于火星大氣成分的特殊性，其中二氧化碳占95%，氮氣占3%，在高熱狀態(tài)下會發(fā)生更加復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，使得著陸環(huán)境更加嚴(yán)苛，因此，著陸過程中需要高效的防熱結(jié)構(gòu)對探測器進(jìn)行保護(hù)，以保證其完好無損。可以說著陸防熱技術(shù)是保證探測器安全著陸的關(guān)鍵，直接關(guān)系任務(wù)成敗。

航天材料及工藝研究所作為此次“天問一號”著陸防熱技術(shù)的主要研制單位，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”研制了三種防熱復(fù)合材料，在氣動加熱最嚴(yán)重的大底結(jié)構(gòu)及大底拐角部位采用了超輕質(zhì)的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料；在需要維持探測器整體形狀的上下邊緣和結(jié)構(gòu)支撐部位采用了連續(xù)纖維增強中密度防熱材料；在氣動加熱較為緩和的背罩部位采用了防熱涂層材料。這三種材料協(xié)同作戰(zhàn)，將守護(hù)“天問一號”安全著陸，探訪神秘火星。

超輕質(zhì)蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料

蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料可以說是空間飛行器防熱的一員“老將”?！吧裰邸碧栞d人飛船、“嫦娥五號”月球探測器中，蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料都發(fā)揮了關(guān)鍵作用。此次火星探測器上采用的是改進(jìn)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”相比，此材料強度更高、密度更低，可以根據(jù)氣動載荷分布對其進(jìn)行變厚度變密度優(yōu)化設(shè)計，在保證探測器能夠耐受更嚴(yán)苛的氣動載荷的情況下，實現(xiàn)更加輕質(zhì)化。一體化成型技術(shù)使整個探測器大底結(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。

該材料密度約為0.36g/cm3，可承受1.5MW/m2的熱流環(huán)境，可耐受火星大氣以CO2為主的特殊氣氛氣動加熱。探測器大底結(jié)構(gòu)的直徑達(dá)到3.4m左右，共計約70000個蜂窩格子，采用整體成型工藝，實現(xiàn)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(dá)到國際領(lǐng)先水平。

連續(xù)纖維增強中密度防熱材料

由于火星距離地球較遠(yuǎn)，為使運載火箭推送的更遠(yuǎn)，天問一號探測器的重量不能過大，需要盡可能地“壓榨”防熱結(jié)構(gòu)及材料的重量。航天材料及工藝研究所還研制了連續(xù)纖維增強中密度防熱材料。

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，密度約為0.9g/cm3，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纖維布增強體系，并將輕質(zhì)填料引入到連續(xù)纖維增強的預(yù)浸料中，實現(xiàn)了連續(xù)纖維增強燒蝕防熱材料的輕質(zhì)化。

超輕質(zhì)的燒蝕防熱涂層材料

與探測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，受到的熱流相對更低。航天材料及工藝研究所研制了超低密度防熱涂層材料，密度僅為0.28g/cm3左右，熱導(dǎo)率低至約0.06W/m﹒K，其基本熱物理性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，不僅隔熱性能優(yōu)良，對著陸器的減重也起到了重要作用。該材料還能夠適應(yīng)發(fā)射場的環(huán)境和真空總質(zhì)量損失等要求，通過了耐鹽霧、耐濕熱性能考核，真空總質(zhì)量損失≤1%，可凝揮發(fā)份≤0.1%，滿足設(shè)計要求。

不僅如此，涂層施工工藝也實現(xiàn)了自動化。背罩結(jié)構(gòu)大端直徑約3.4m，面積約20 m2，傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式將很難保證涂層的均勻性。經(jīng)過攻關(guān)，解決了防熱涂料傳輸技術(shù)難題，利用噴涂機械臂實現(xiàn)了背罩結(jié)構(gòu)表面超低密度防熱涂層材料的自動化噴涂，有效提高了涂層的施工質(zhì)量和效率。

三種材料“協(xié)同作戰(zhàn)”

這三種材料在任務(wù)執(zhí)行過程中，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長達(dá)8個月，由于軌道的變換和距離太陽的遠(yuǎn)近，防熱材料要承受極低的溫度以及高低溫的循環(huán)交變，“冰火兩重天”很容易導(dǎo)致材料發(fā)生開裂、脫落等災(zāi)難性問題。在這樣的惡劣條件下，三種防熱材料需要與探測器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持良好的結(jié)構(gòu)熱匹配性和完整性。

通過工程計算、數(shù)值模擬及必要的地面試驗，分析這三種材料在極低溫及高低溫交變的空間環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化情況，再根據(jù)實驗結(jié)果優(yōu)化修正，最終實現(xiàn)了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(dá)、順利著陸保駕護(hù)航。