中國(guó)粉體網(wǎng)訊 17日，“嫦娥五號(hào)”返回器帶著月壤成功返回地球，時(shí)隔44年，人類(lèi)再次從月球帶回了巖石和土壤樣本，我國(guó)成為繼美國(guó)、蘇聯(lián)之后，第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月球采樣返回的國(guó)家。
此次“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器返回地球，是以第二宇宙速度——11.2公里/秒進(jìn)入大氣層，高速摩擦將在探測(cè)器表面產(chǎn)生3000℃的高溫，其熱流超過(guò)了我國(guó)以往任何一個(gè)再入返回的型號(hào)。
1600℃，鋼鐵會(huì)化為鐵水，即使金剛石在3000℃也會(huì)融化。是什么樣的防熱材料能讓“嫦娥五號(hào)”不懼高溫灼烤，保護(hù)正常運(yùn)行、安全返回？我國(guó)空間探測(cè)經(jīng)歷了返回式衛(wèi)星、載人神舟飛船、月球無(wú)人探測(cè)、火星探測(cè)等活動(dòng)�！版隙鹞逄�(hào)”的新型防熱外衣又有其獨(dú)特之處呢？
因各部位防熱需求不同穿“拼接款”
我們所熟知的流星，就是太空中的塵埃和固體塊等物質(zhì)由于地球引力進(jìn)入大氣層，與大氣高速摩擦燃燒所產(chǎn)生的天文現(xiàn)象。在這個(gè)過(guò)程中，大部分物質(zhì)都被燒毀了，極少有物質(zhì)能夠到達(dá)地面形成隕石。
航天器在飛行過(guò)程中也會(huì)與大氣層發(fā)生劇烈摩擦，從而在航天器表面產(chǎn)生超高溫，如果不使用防熱材料，在高溫作用下，航天器表面材料很快就會(huì)出現(xiàn)變形、熔化和消失的現(xiàn)象（也稱(chēng)燒蝕后退），最后像流星一樣消失在天際。
防熱材料，顧名思義，作用就是防止產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)被外界的高溫所熔化，航天器的防熱材料需要在耐高溫的同時(shí)發(fā)揮其結(jié)構(gòu)承載性能，是航天器的“骨骼”。
據(jù)介紹，由于航天器不同的部位對(duì)防熱材料的需求不同，需要根據(jù)情況“量體裁衣”，選擇不同耐熱溫度的材料。比如，環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料可耐受120℃左右的溫度，使用范圍比較廣泛，可以應(yīng)用于火箭整流罩、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件等；雙馬樹(shù)脂基復(fù)合材料可以耐受200℃以上的溫度，主要應(yīng)用于火箭防熱底板、儀器艙艙段等；而聚酰亞胺基復(fù)合材料則可耐受500℃左右的高溫，可應(yīng)用于火箭及航天器的耐高溫部件。
對(duì)于高速穿越大氣層的航天器來(lái)說(shuō)，輕裝上陣能飛得更遠(yuǎn)，例如火箭末級(jí)每減輕1千克重量，就能增加1千克的有效載荷，或是增加15千米左右的射程。中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院航天材料及工藝研究所專(zhuān)項(xiàng)主任工程師梁馨說(shuō)，降低材料密度本身并不很難，但要讓材料的密度低，同時(shí)又能耐高溫、強(qiáng)隔熱，難度就非常大了。
為減輕航天器載重負(fù)擔(dān)，科研人員要確保返回器防熱材料每1克重量都用在刀刃上，最終他們根據(jù)各部位受熱情況的不同，在大底迎風(fēng)面、大底背風(fēng)面、大底拐彎角環(huán)、側(cè)壁迎風(fēng)面、側(cè)壁背風(fēng)面、側(cè)壁艙蓋與邊緣防熱環(huán)、穩(wěn)定翼七大部位分別應(yīng)用了7種不同成分的防熱燒蝕材料。
比如，氣動(dòng)加熱最嚴(yán)重的大底結(jié)構(gòu)，采用的是新型輕質(zhì)低密度燒蝕防熱材料，其密度約為每立方厘米0.5克，每平方米可承受6兆瓦（MW）的熱流環(huán)境；拐角采用連續(xù)纖維增強(qiáng)中低密度結(jié)構(gòu)材料；側(cè)壁結(jié)構(gòu)采用的是超輕質(zhì)的蜂窩增強(qiáng)防熱材料，密度約為每立方厘米0.36克，每平方米可承受1.5MW的熱流環(huán)境。這7種材料相互配合、和諧相處，防熱減重兩不誤。
防熱外衣要扛住“大火爆炒”和“小火慢燉”
此次嫦娥五號(hào)返回器采用的是一個(gè)非常有特點(diǎn)的再入模式：半彈道跳躍式再入，形象地說(shuō)就是打水漂式返回。讓返回器先高速進(jìn)入大氣層，隨后借助大氣層提供的升力“跳”起來(lái)，再以第一宇宙速度重新進(jìn)入大氣層返回地面。
具體來(lái)說(shuō)，在進(jìn)入返回軌道時(shí)，返回器一開(kāi)始是以第二宇宙速度，即每秒11.2公里的速度進(jìn)入大氣層，以這個(gè)速度從北京到上海耗時(shí)不到100秒。當(dāng)以第二宇宙速度移動(dòng)時(shí)，材料溫度將達(dá)到3000℃以上。
進(jìn)入大氣層后沒(méi)多久，為了減速，返回器會(huì)向上跳躍回到太空，這時(shí)外部溫度是-120℃。接著又以每秒7.8公里的第一宇宙速度進(jìn)入大氣層，這時(shí)材料表面溫度約為1800℃。
打個(gè)比喻，如果把返回器比喻成一口鍋，那么上述過(guò)程相當(dāng)于鍋先經(jīng)大火爆炒，然后被放進(jìn)冰塊里，再被從冰塊里拿出來(lái)經(jīng)歷小火慢燉。因此，這次的防熱材料不但要經(jīng)歷冷熱交變，更要同時(shí)經(jīng)受“大火爆炒”和“小火慢燉”的雙重考驗(yàn)，對(duì)最外層的防熱材料提出了極高的高溫?zé)g強(qiáng)度要求。
“我國(guó)對(duì)空間探測(cè)防熱材料的研究是從上世紀(jì)80年代開(kāi)始的，但這么復(fù)雜的情況在我國(guó)的空間探測(cè)活動(dòng)中屬于首次�！绷很罢f(shuō)，為此，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了集中攻關(guān)，最終創(chuàng)新性地研制了以碳為主的材料體系，并順利解決了燒蝕后退等問(wèn)題。
據(jù)了解，之前國(guó)際上最好的防熱材料是改進(jìn)后的Avcoat5026，這是阿波羅飛船所用的防熱材料，也是此前唯一經(jīng)歷載人登月返回特殊嚴(yán)酷熱環(huán)境的防熱材料。改進(jìn)后的Avcoat5026密度為每立方厘米0.56克左右，能夠在熱流作用下能發(fā)生分解、熔化等變化，借質(zhì)量消耗帶走大量的熱，以達(dá)到阻止再入大氣層時(shí)的熱流傳入飛行器內(nèi)部的目的。
但是這種防熱材料的制造工藝復(fù)雜、周期非常長(zhǎng)，以獵戶(hù)座飛船大底為例，其防熱材料需要整整6個(gè)月才能完成制造。而嫦娥五號(hào)探測(cè)器的防熱材料密度為每立方厘米0.5克，成型周期是獵戶(hù)座飛船大底的1/25。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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