原創(chuàng) 中國復(fù)合材料學(xué)會 中國復(fù)合材料學(xué)會

（航天材料及工藝研究所 梁馨 方洲 左小彪 高小方供稿）
17日，“嫦娥五號”返回器帶著月壤成功返回地球，時隔44年，人類再次從月球帶回了巖石和土壤樣本，我國成為繼美國、蘇聯(lián)之后，第三個實現(xiàn)月球采樣返回的國家。此次“嫦娥五號”探測器返回地球，是以第二宇宙速度， 11.2km/s進(jìn)入大氣層，高速摩擦將在探測器表面產(chǎn)生3000℃的高溫，其熱流超過了我國以往任何一個再入返回的型號，針對此，航天材料及工藝研究所研制團(tuán)隊為其量身打造了新型防熱外衣，有效保證了“嫦娥五號”順利返回。（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）
防熱外衣要輕
由于嫦娥五號要一次性實現(xiàn)“繞-落-回”，為了降低載重，最大化試驗效率，讓五姑娘輕裝上陣、安心挖土，防熱材料也要相應(yīng)減重，只不過這一次，研制團(tuán)隊對“輕”的要求幾乎達(dá)到了苛刻的程度。其實，一味降低材料密度本身并不是很難，但要讓材料的密度低，同時又要耐高溫、強(qiáng)隔熱，難度就非常大了。團(tuán)隊成員死摳整個返回器防熱材料的重量，確保每一克重量都用在刀刃上，最終在不同部位按照受熱情況的不同，采用了7種防熱材料，例如：在氣動加熱最嚴(yán)重的大底結(jié)構(gòu)采用的是新型的輕質(zhì)C-Si-O蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料，其密度約為0.5g/cm3，可承受6MW/m2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0.36g/cm3，可承受1.5MW/m2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。
但是，在探測器“奔月”和“繞月”的過程中，由于軌道的變換和距離太陽的遠(yuǎn)近，防熱結(jié)構(gòu)不僅要承受幾乎完全真空、沒有大氣層和地磁保護(hù)的宇宙空間里面的各種離子的輻照，還要承受極低的溫度以及高低溫度的循環(huán)交變，這就對7種防熱材料的性能及其與承力結(jié)構(gòu)的熱結(jié)構(gòu)匹配性、整體性提出了更高的要求，就好比讓軟硬不同的“裝修材料”鋪滿整個房間，而且這些材料還不能因為冷熱交替變形、開裂，難度可想而知。經(jīng)過航天材料及工藝研究所科研團(tuán)隊的不懈努力，攻克了側(cè)壁、大底整體防熱結(jié)構(gòu)及七種不同防熱材料匹配的難題，滿足了月球采樣返回防熱材料輕質(zhì)又防熱的苛刻要求。
防熱外衣要強(qiáng)
防熱材料除了越輕越好，還需要擁有足夠的強(qiáng)度。這就好比大家冬天穿羽絨服，除了希望羽絨服盡可能的輕，不要穿在身上沉甸甸的之外，還希望羽絨服盡可能結(jié)實，不要風(fēng)一吹、水一洗就破了。特別是防熱材料面對的是幾千攝氏度的高溫，在高溫下還要保持一定的強(qiáng)度。
這次，嫦娥五號返回器采用的是一個非常有特點的再入模式：半彈道跳躍式再入，形容點形象就是打水漂返回。這種方式怎么理解呢，嫦娥五號在進(jìn)入返回軌道時，一開始是以第二宇宙速度，11.2km/s進(jìn)入大氣層，整個速度有多快？相當(dāng)于從北京到上海不到100秒，材料溫度會達(dá)到3000℃；進(jìn)入大氣層后沒多久，為了減速，她會向上跳躍回到太空，這個時候外部溫度是-120℃；后又以第一宇宙速度7.8km/s進(jìn)入大氣層，這時候材料溫度是1800℃。打個比喻，如果把返回器比喻成一口鍋，那么上述過程就相當(dāng)于這個鍋先大火爆炒，然后放進(jìn)冰塊里，再從冰塊里拿出來小火慢燉。因此，這次的防熱材料不僅要經(jīng)歷冷熱交變，更要同時經(jīng)受住大火爆炒和小火慢燉的雙重考驗，對最外層的防熱材料提出了非常高的高溫?zé)g強(qiáng)度要求。這是我國首次遇到這類情況，而且時間緊迫。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
為此，團(tuán)隊開展了集中攻關(guān)，清晨安排試驗、上午調(diào)整參數(shù)、下午討論分析、晚上總結(jié)優(yōu)化，每天雷打不動。同時不斷調(diào)研與收集國內(nèi)外前沿進(jìn)展，不斷完善設(shè)計思路。最終在很短的研制時間里，創(chuàng)新研制了以“碳”為主的材料體系，并順利解決了燒蝕后退等問題。完成了原本認(rèn)為不可能完成的任務(wù)。
嫦娥五號的防熱材料擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。之前國際上最好的防熱材料是改進(jìn)后的Avcoat5026，Avcoat5026是阿波羅飛船所用的防熱材料，也是目前唯一經(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仍為燒蝕型防熱材料，密度在0.56g/cm3左右。這種防熱材料的制造工藝復(fù)雜、周期非常長，獵戶座飛船大底的防熱材料需要整整六個月才能完成制造。而嫦娥五號探測器的防熱材料密度為0.5g/cm3，成型周期是獵戶座的1/25。（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

 

我國空間探測經(jīng)歷了返回式衛(wèi)星、載人神舟飛船、月球無人探測、火星探測等活動，后續(xù)還將開展小天體探測、載人登月探測、火星取樣返回等探測計劃，探測器或再入器的防熱材料是關(guān)鍵技術(shù)之一，是關(guān)系探測成功與否的重要環(huán)節(jié)。后續(xù)航天材料及工藝研究所仍會再接再厲，發(fā)展防熱材料技術(shù)，為我國空間探測活動提供技術(shù)支撐。
（中國復(fù)合材料學(xué)會 學(xué)會部審核）
原標(biāo)題：《【行業(yè)動態(tài)】航天材料工藝助力“嫦娥”可上九天攬月，不懼飛速返航》