17日,“嫦娥五号”返回器带着月壤成功返回地球,时隔44年,人类再次从月球带回了岩石和土壤样本,我国成为继美国、苏联之后,第三个实现月球采样返回的国家。

17日1时59分,探月工程嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆。作者供图

此次“嫦娥五号”探测器返回地球,是以第二宇宙速度——11.2公里/秒进入大气层,高速摩擦将在探测器表面产生3000℃的高温,其热流超过了我国以往任何一个再入返回的型号。

1600℃,钢铁会化为铁水,即使金刚石在3000℃也会融化。是什么样的防热材料能让“嫦娥五号”不惧高温灼烤,保护正常运行、安全返回?我国空间探测经历了返回式卫星、载人神舟飞船、月球无人探测、火星探测等活动。“嫦娥五号”的新型防热外衣又有其独特之处呢?

因各部位防热需求不同穿“拼接款”

我们所熟知的流星,就是太空中的尘埃和固体块等物质由于地球引力进入大气层,与大气高速摩擦燃烧所产生的天文现象。在这个过程中,大部分物质都被烧毁了,极少有物质能够到达地面形成陨石。

航天器在飞行过程中也会与大气层发生剧烈摩擦,从而在航天器表面产生超高温,如果不使用防热材料,在高温作用下,航天器表面材料很快就会出现变形、熔化和消失的现象(也称烧蚀后退),最后像流星一样消失在天际。

防热材料,顾名思义,作用就是防止产品内部的结构被外界的高温所熔化,航天器的防热材料需要在耐高温的同时发挥其结构承载性能,是航天器的“骨骼”。

据介绍,由于航天器不同的部位对防热材料的需求不同,需要根据情况“量体裁衣”,选择不同耐热温度的材料。比如,环氧树脂基复合材料可耐受120℃左右的温度,使用范围比较广泛,可以应用于火箭整流罩、卫星结构件等;双马树脂基复合材料可以耐受200℃以上的温度,主要应用于火箭防热底板、仪器舱舱段等;而聚酰亚胺基复合材料则可耐受500℃左右的高温,可应用于火箭及航天器的耐高温部件。

对于高速穿越大气层的航天器来说,轻装上阵能飞得更远,例如火箭末级每减轻1千克重量,就能增加1千克的有效载荷,或是增加15千米左右的射程。中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所专项主任工程师梁馨说,降低材料密度本身并不很难,但要让材料的密度低,同时又能耐高温、强隔热,难度就非常大了。

为减轻航天器载重负担,科研人员要确保返回器防热材料每1克重量都用在刀刃上,最终他们根据各部位受热情况的不同,在大底迎风面、大底背风面、大底拐弯角环、侧壁迎风面、侧壁背风面、侧壁舱盖与边缘防热环、稳定翼七大部位分别应用了7种不同成分的防热烧蚀材料。

比如,气动加热最严重的大底结构,采用的是新型轻质低密度烧蚀防热材料,其密度约为每立方厘米0.5克,每平方米可承受6兆瓦(MW)的热流环境;拐角采用连续纤维增强中低密度结构材料;侧壁结构采用的是超轻质的蜂窝增强防热材料,密度约为每立方厘米0.36克,每平方米可承受1.5MW的热流环境。这7种材料相互配合、和谐相处,防热减重两不误。

防热外衣要扛住“大火爆炒”和“小火慢炖”

此次嫦娥五号返回器采用的是一个非常有特点的再入模式:半弹道跳跃式再入,形象地说就是打水漂式返回。让返回器先高速进入大气层,随后借助大气层提供的升力“跳”起来,再以第一宇宙速度重新进入大气层返回地面。

具体来说,在进入返回轨道时,返回器一开始是以第二宇宙速度,即每秒11.2公里的速度进入大气层,以这个速度从北京到上海耗时不到100秒。当以第二宇宙速度移动时,材料温度将达到3000℃以上。

进入大气层后没多久,为了减速,返回器会向上跳跃回到太空,这时外部温度是-120℃。接着又以每秒7.8公里的第一宇宙速度进入大气层,这时材料表面温度约为1800℃。

打个比喻,如果把返回器比喻成一口锅,那么上述过程相当于锅先经大火爆炒,然后被放进冰块里,再被从冰块里拿出来经历小火慢炖。因此,这次的防热材料不但要经历冷热交变,更要同时经受“大火爆炒”和“小火慢炖”的双重考验,对最外层的防热材料提出了极高的高温烧蚀强度要求。

“我国对空间探测防热材料的研究是从上世纪80年代开始的,但这么复杂的情况在我国的空间探测活动中属于首次。”梁馨说,为此,团队开展了集中攻关,最终创新性地研制了以碳为主的材料体系,并顺利解决了烧蚀后退等问题。

据了解,之前国际上最好的防热材料是改进后的Avcoat5026,这是阿波罗飞船所用的防热材料,也是此前唯一经历载人登月返回特殊严酷热环境的防热材料。改进后的Avcoat5026密度为每立方厘米0.56克左右,能够在热流作用下能发生分解、熔化等变化,借质量消耗带走大量的热,以达到阻止再入大气层时的热流传入飞行器内部的目的。

但是这种防热材料的制造工艺复杂、周期非常长,以猎户座飞船大底为例,其防热材料需要整整6个月才能完成制造。而嫦娥五号探测器的防热材料密度为每立方厘米0.5克,成型周期是猎户座飞船大底的1/25。

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