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着陆|防热黑科技护体 “天问一号”度过“恐怖9分钟”

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着陆|防热黑科技护体 “天问一号”度过“恐怖9分钟”
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图为火星探测器着陆火星表面模拟图（5月15日摄） 。 新华社采访人员 金立旺摄
5月15日 ， “天问一号”在火星着陆 。 着陆前 ， “天问一号”经历了“恐怖9分钟”：着陆器高速进入火星大气层 ， 与大气层摩擦后 ， 着陆器表面温度急剧升高 ， 如同一颗流星经历高温灼烤 。
着陆防热技术是保证探测器安全着陆的关键 ， 直接关系任务成败 。 作为此次“天问一号”着陆器防热技术的主要研制单位 ， 中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所研究员梁馨告诉采访人员 ， 火星大气中二氧化碳占95% ， 氮气占3% 。 经历高温灼烤的着陆器 ， 在有别于地球大气的环境下 ， 将发生更加复杂的物理化学反应 ， 着陆环境更加严苛 。 航天材料及工艺研究所量体裁衣地设计研制了三种材料 ， 协同作战守护“天问一号”安全着陆火星 。
超轻质蜂窝增强烧蚀防热材料密度更低防热效率更高
【着陆|防热黑科技护体 “天问一号”度过“恐怖9分钟”】蜂窝增强轻质烧蚀防热材料是空间飞行器防热的一员“老将” 。 “神舟”号载人飞船、月地高速再入返回飞行器、“嫦娥五号”月球探测器中 ， 蜂窝增强轻质烧蚀防热材料都发挥了热防护的关键作用 。
此次火星探测器上采用的是经配方优化设计的新型超轻质蜂窝增强烧蚀防热材料 。
与“前辈”相比 ， 此材料密度更低、防热效率更高 ， 并且可以根据承受的气动载荷分布进行变厚度优化设计 ， 在保证探测器拐角部位能够耐受更严苛的气动载荷的情况下 ， 让整个结构的材料更加轻质化 。 同时 ， 探测器大底结构具有非常好的整体性 ， 确保在奔向火星过程中 ， 即使承受高低温交变 ， 也能保证结构的可靠性 。
该材料密度约为0.36克/立方厘米 ， 每平方米可承受1.5兆瓦的热流环境 ， 可耐受火星大气以CO2为主的特殊气氛气动加热 。 探测器大底结构的直径达到3.4米左右 ， 包括约70000个蜂窝格子 ， 团队采用整体成型工艺 ， 确保了在如此多的蜂窝格子中材料一次性灌注到位 。
连续纤维增强中密度防热材料兼顾耐烧蚀和承载能力
由于火星距离地球较远 ， 为使运载火箭推送得更远 ， “天问一号”不能过重 ， 需要尽可能“压榨”防热结构及材料重量 。 除了超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料 ， 团队还研制了连续纤维增强中密度防热结构一体化材料 ， 既能满足结构要求 ， 又具备轻质特点 。
该材料主要用于探测器大底及背罩防热结构的舱盖、封边环、埋件、螺塞等零部件 ， 相比较低密度材料 ， 其强度更高 ， 密度约为0.9克/立方厘米 ， 兼顾了耐烧蚀和承载能力 。 该材料使用了三元长纤维组成的SPQ纤维布增强体系 ， 并将轻质填料引入到连续纤维增强的预浸料中 ， 实现了对传统连续纤维增强烧蚀防热材料的轻质化 。
超轻质烧蚀防热涂层材料隔热性能优良
与探测器大底直面火星大气冲刷不同 ， 背罩结构在着陆器侧面 ， 受到的热流相对更低 ， 因此 ， 二者在防热上要求不同 。 对此 ， 航天材料及工艺研究所研制出超低密度防热涂层材料 ， 密度仅为0.28克/立方厘米左右 ， 热导率低至约0.06瓦每米开 ， 不仅隔热性能优良 ， 也能给着陆器减重 。
不仅如此 ， 团队经过攻关 ， 解决了防热涂料传输技术难题 ， 利用喷涂机械臂 ， 实现了背罩结构表面超低密度防热涂层材料的机械臂施工 ， 解决了手工施工均匀性差的问题 ， 提高了涂层的施工质量和效率 。
梁馨同时表示 ， 探测器飞向火星的时间长达8个月 ， 由于轨道以及距离太阳远近的变化 ， 防热材料还要承受极低的温度以及高低温度循环交变 ， “冰火两重天”很容易导致材料出现开裂、脱落等灾难性问题 。 研发团队通过工程计算、数值模拟及必要的地面试验等方法 ， 最终确保这三种材料能够在茫茫太空中“协同作战” ， 为探测器安全抵达、顺利着陆保驾护航 。
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