7月23日長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭成功發(fā)射，備受矚目的火星探測(cè)器“天問一號(hào)”被送入預(yù)定軌道。

這是我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)，將在完全陌生的火星環(huán)境下，一次性實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視三大任務(wù)，對(duì)火星開展全球性、綜合性的環(huán)繞探測(cè)，并在火星表面開展區(qū)域巡視探測(cè)，這在世界航天史上也屬于首例。

天問一號(hào)是通過(guò)一個(gè)著陸巡視組合體來(lái)完成著陸和巡視兩項(xiàng)任務(wù)的。著陸巡視組合體包括進(jìn)入艙和火星車兩部分，進(jìn)入艙負(fù)責(zé)著陸，火星車負(fù)責(zé)科學(xué)探測(cè)。

奔向火星的過(guò)程中，最大的難點(diǎn)在于在再入、下降與著陸過(guò)程中，要將探測(cè)器的時(shí)速?gòu)膬扇f(wàn)多千米/小時(shí)降低至0。如何做好探測(cè)器的熱防護(hù)，關(guān)系著火星車能否安全到達(dá)火星表面開展相關(guān)工作，關(guān)系著“天問一號(hào)”探測(cè)任務(wù)的成敗。

墜入火星，探測(cè)器都經(jīng)歷什么

與月球不同，火星上也存在大氣層。雖然火星大氣比地球要稀薄一些，但在著陸器高速進(jìn)入情況下，與大氣層的高速摩擦也會(huì)使著陸器表面溫度急劇升高，就如同一顆流星一樣，如果不進(jìn)行有效的防護(hù)，就將燒毀在大氣層中。

別看火星上大氣密度只有地球的1%，但其大氣中二氧化碳占95%，氮?dú)庹?%，與從地球軌道上返回的飛船相比，著陸火星的探測(cè)器在高熱狀態(tài)下會(huì)發(fā)生更加復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。人類探測(cè)火星起步于20世紀(jì)60年代，2020年之前共實(shí)施了44次火星探測(cè)任務(wù)，其中美國(guó)20次，蘇聯(lián)/俄羅斯20次，歐洲2次，日本1次，印度1次，任務(wù)形式包含掠飛、環(huán)繞、著陸及巡視探測(cè)。只有24次任務(wù)取得了成功或部分成功，成功率54.5％，可見火星探測(cè)器成功著陸的難度有多高。

為了安全地護(hù)衛(wèi)“天問一號(hào)”成功著陸，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司一院703所根據(jù)探測(cè)器形狀、不同部位所承受的氣動(dòng)載荷及熱流密度的不同，“量體裁衣”創(chuàng)新研制了三種材料，分別是超輕質(zhì)的蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料、連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱材料和超輕質(zhì)大面積防熱涂層材料。

這三種材料協(xié)同作戰(zhàn)，在探測(cè)器著陸的時(shí)候，材料表面與火星大氣摩擦并發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)帶走大量的熱，同時(shí)材料內(nèi)部還具有良好的保溫隔熱性能，雖然表面“熱浪滾滾”，里面卻依舊“涼爽宜人”，有效保護(hù)探測(cè)器不被燒壞。

新型防護(hù)材料有哪些過(guò)人之處

火星距離地球較遠(yuǎn)，為使運(yùn)載火箭推送的更遠(yuǎn)，天問一號(hào)探測(cè)器的重量不能過(guò)大，因此對(duì)探測(cè)器防熱結(jié)構(gòu)的重量要求也達(dá)到了十分苛刻的程度，在如此嚴(yán)苛要求下又要完成熱防護(hù)使命，因此必須采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能“榨干”防熱材料的防熱性能和防熱效率。

“天問一號(hào)”探測(cè)器著陸過(guò)程中，受熱最嚴(yán)重的大底部分采用的是超輕質(zhì)的蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料。這種材料可以說(shuō)是空間飛行器防熱的一員“老將”。“神舟”載人飛船、月地高速載入返回飛行器中，蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料都發(fā)揮了熱防護(hù)的關(guān)鍵作用。

蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料材料樣件

此次火星探測(cè)器上采用的是配方優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料。跟它的“前輩”們相比，此材料強(qiáng)度更高、密度更低，并且可以根據(jù)承受的氣動(dòng)載荷分布對(duì)蜂窩格子進(jìn)行變厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證探測(cè)器拐角部位能夠耐受更嚴(yán)苛的氣動(dòng)載荷的情況下，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的材料重量更加輕質(zhì)化。

探測(cè)器大底結(jié)構(gòu)的直徑達(dá)到3.4m左右，共計(jì)約70000個(gè)蜂窩格子，團(tuán)隊(duì)采用整體成型工藝，確保了在如此多的蜂窩格子中材料一次性灌注到位，不論是成型效率、成型質(zhì)量還是成型可靠性都達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。整個(gè)探測(cè)器大底結(jié)構(gòu)具有非常好的整體性，確保了其在奔向火星的過(guò)程中承受高低溫交變的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

探測(cè)器大底大面積使用超輕質(zhì)的蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料

除了大面積的低密度燒蝕防熱材料之外，探測(cè)器的其它部位還需要一些更具承載能力的防熱材料，為此，團(tuán)隊(duì)還研制了連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱材料，既能滿足結(jié)構(gòu)要求，又具備輕質(zhì)特點(diǎn)。該材料主要用作探測(cè)器大底及背罩防熱結(jié)構(gòu)的艙蓋、封邊環(huán)、埋件、螺塞等零部件，相比較低密度材料其強(qiáng)度更高，兼顧了耐燒蝕和承載能力。

而在受到熱流相對(duì)較低的背罩結(jié)構(gòu)上，團(tuán)隊(duì)采用的是超輕質(zhì)的燒蝕防熱涂層材料。該材料基本熱物理性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，不僅隔熱性能優(yōu)良，也對(duì)著陸器的減重起到重要作用。同時(shí)，還充分考慮發(fā)射場(chǎng)的環(huán)境影響和真空總質(zhì)量損失等要求，持續(xù)優(yōu)化材料，使其耐鹽霧、耐濕熱性能均通過(guò)試驗(yàn)，真空總質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)份均滿足設(shè)計(jì)要求。

超輕質(zhì)防熱涂層材料

三種材料協(xié)同作戰(zhàn)

這三種材料在結(jié)構(gòu)、配方及工藝設(shè)計(jì)時(shí)，還需要考慮的一個(gè)重要因素就是它們之間的結(jié)構(gòu)熱匹配性。探測(cè)器飛向火星的時(shí)間較長(zhǎng)，由于軌道的變換和距離太陽(yáng)的遠(yuǎn)近，防熱材料在飛行過(guò)程中要承受極低的溫度以及高低溫度的循環(huán)交變，“冰火兩重天”很容易導(dǎo)致材料發(fā)生開裂、脫落等災(zāi)難性問題。

在這樣的惡劣條件下，三種防熱材料和結(jié)構(gòu)需要與著陸器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持良好的結(jié)構(gòu)熱匹配性和完整性。團(tuán)隊(duì)通過(guò)工程計(jì)算、數(shù)值模擬及必要的地面試驗(yàn)等方法，設(shè)計(jì)模擬三種材料在極低溫、高低溫交變的空間環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化及燒蝕匹配性，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確保這三種材料的匹配性和完整性，使它們能夠在茫茫太空中“協(xié)同作戰(zhàn)”，為探測(cè)器安全抵達(dá)、順利著陸保駕護(hù)航。（來(lái)源：中國(guó)航天報(bào)）