據科技日報報道， 5月15日，“天問一號”在火星著陸。著陸前，“天問一號”經曆了“恐怖9分鍾”：著陸器高速進入火星大氣層，與(yu) 大氣層摩擦後，著陸器表麵溫度急劇升高，如同一顆流星經曆高溫灼烤。
著陸防熱技術是保證探測器安全著陸的關(guan) 鍵，直接關(guan) 係任務成敗。作為(wei) 此次“天問一號”著陸器防熱技術的主要研製單位，中國運載火箭技術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%，氮氣占3%。經曆高溫灼烤的著陸器，在有別於(yu) 地球大氣的環境下，將發生更加複雜的物理化學反應，著陸環境更加嚴(yan) 苛。航天材料及工藝研究所量體(ti) 裁衣地設計研製了三種材料，協同作戰守護“天問一號”安全著陸火星。
超輕質蜂窩增強燒蝕防熱材料密度更低防熱效率更高
蜂窩增強輕質燒蝕防熱材料是空間飛行器防熱的一員“老將”。“神舟”號載人飛船、月地高速再入返回飛行器、“嫦娥五號”月球探測器中，蜂窩增強輕質燒蝕防熱材料都發揮了熱防護的關(guan) 鍵作用。
此次火星探測器上采用的是經配方優(you) 化設計的新型超輕質蜂窩增強燒蝕防熱材料。
與(yu) “前輩”相比，此材料密度更低、防熱效率更高，並且可以根據承受的氣動載荷分布進行變厚度優(you) 化設計，在保證探測器拐角部位能夠耐受更嚴(yan) 苛的氣動載荷的情況下，讓整個(ge) 結構的材料更加輕質化。同時，探測器大底結構具有非常好的整體(ti) 性，確保在奔向火星過程中，即使承受高低溫交變，也能保證結構的可靠性。
該材料密度約為(wei) 0.36克/立方厘米，每平方米可承受1.5兆瓦的熱流環境，可耐受火星大氣以CO2為(wei) 主的特殊氣氛氣動加熱。探測器大底結構的直徑達到3.4米左右，包括約70000個(ge) 蜂窩格子，團隊采用整體(ti) 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。
連續纖維增強中密度防熱材料兼顧耐燒蝕和承載能力
由於(yu) 火星距離地球較遠，為(wei) 使運載火箭推送得更遠，“天問一號”不能過重，需要盡可能“壓榨”防熱結構及材料重量。除了超輕質蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料，團隊還研製了連續纖維增強中密度防熱結構一體(ti) 化材料，既能滿足結構要求，又具備輕質特點。
該材料主要用於(yu) 探測器大底及背罩防熱結構的艙蓋、封邊環、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(wei) 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纖維布增強體(ti) 係，並將輕質填料引入到連續纖維增強的預浸料中，實現了對傳(chuan) 統連續纖維增強燒蝕防熱材料的輕質化。
超輕質燒蝕防熱塗層材料隔熱性能優(you) 良
與(yu) 探測器大底直麵火星大氣衝(chong) 刷不同，背罩結構在著陸器側(ce) 麵，受到的熱流相對更低，因此，二者在防熱上要求不同。對此，航天材料及工藝研究所研製出超低密度防熱塗層材料，密度僅(jin) 為(wei) 0.28克/立方厘米左右，熱導率低至約0.06瓦每米開，不僅(jin) 隔熱性能優(you) 良，也能給著陸器減重。
不僅(jin) 如此，團隊經過攻關(guan) ，解決(jue) 了防熱塗料傳(chuan) 輸技術難題，利用噴塗機械臂，實現了背罩結構表麵超低密度防熱塗層材料的機械臂施工，解決(jue) 了手工施工均勻性差的問題，提高了塗層的施工質量和效率。
梁馨同時表示，探測器飛向火星的時間長達8個(ge) 月，由於(yu) 軌道以及距離太陽遠近的變化，防熱材料還要承受極低的溫度以及高低溫度循環交變，“冰火兩(liang) 重天”很容易導致材料出現開裂、脫落等災難性問題。研發團隊通過工程計算、數值模擬及必要的地麵試驗等方法，最終確保這三種材料能夠在茫茫太空中“協同作戰”，為(wei) 探測器安全抵達、順利著陸保駕護航。
文章來源：科技日報
責任編輯：餘(yu) 凱旋
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