指标强过阿波罗、猎户座!嫦五防热材料水平世界领先

12月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。

此次嫦娥五号探测器返回地球,是以第二宇宙速度 11.2km/s进入大气层,如此高速的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。针对于此,航天科技集团一院703所研制团队为其量身打造了新型防热外衣,有效保证了嫦娥五号的顺利返回。

防热外衣要

由于嫦娥五号要一次性实现“绕-落-回”,为了降低载重,最大化试验效率,让“五姑娘”轻装上阵、安心挖土,防热材料也要相应减重。只不过这一次,研制团队对“轻”的要求几乎达到了苛刻的程度。

嫦娥五号月球采样返回任务过程示意图(中国航天报 制图)

其实,一味降低材料密度本身并不是很难,但要让材料的密度低,同时又要耐高温、强隔热,难度就非常大了。团队成员死抠整个返回器防热材料的重量,确保每一克重量都用在刀刃上,最终在不同部位按照受热情况的不同,采用了7种防热材料。

例如:在气动加热最严重的大底结构采用的是新型的轻质C-Si-O蜂窝增强低密度烧蚀防热材料,其密度约为0.5g/cm3,可承受6MW/m2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0.36g/cm3,可承受1.5MW/m2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。

其中一种防热材料(真的不是饼干)

但是,在探测器“奔月”和“绕月”的过程中,由于轨道的变换和距离太阳的远近,防热结构不仅要承受几乎完全真空、没有大气层和地磁保护的宇宙空间里各种离子的辐照,还要承受极低的温度以及高低温度的循环交变,这就对7种防热材料的性能及其与承力结构的热结构匹配性、整体性提出了更高的要求。就好比让软硬不同的装修材料铺满整个房间,而且这些材料还不能因为冷热交替变形、开裂,难度可想而知。

经过703所科研团队的不懈努力,攻克了侧壁、大底整体防热结构及7种不同防热材料匹配的难题,满足了月球采样返回防热材料轻质又防热的苛刻要求。

防热外衣要

防热材料除了越轻越好,还需要拥有足够的强度。这就好比大家冬天穿羽绒服,除了希望羽绒服尽可能轻,不要穿在身上感觉沉甸甸之外,还希望羽绒服尽可能结实,不要风一吹、水一洗就破了。特别是防热材料面对的是几千摄氏度的高温,在高温下还要保持一定的强度。

这次,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,形象点说就是打水漂返回。

这种方式怎么理解呢?嫦娥五号在进入返回轨道时,一开始是以第二宇宙速度,11.2km/s进入大气层。整个速度有多快?相当于从北京到上海只用了不到100秒。这时候,材料温度会达到3000℃

进入大气层后没多久,为了减速,嫦娥五号会向上跳跃回到太空,这个时候外部温度是-120℃

接着,嫦娥五号又以第一宇宙速度7.8km/s进入大气层,这时候的材料温度是1800℃

嫦娥五号返回示意图

打个比喻,如果把返回器比喻成一口锅,那么上述过程就相当于这个锅先大火爆炒,然后放进冰块里,再从冰块里拿出来小火慢炖。因此,这次的防热材料不仅要经历冷热交变,更要同时经受住“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非常高的高温烧蚀强度要求。

返回后的嫦娥五号经历了高温烧蚀(李淑姮 摄)

这是我国首次遇到这类情况,而且时间紧迫。为此,团队开展了集中攻关:清晨安排试验、上午调整参数、下午讨论分析、晚上总结优化,每天雷打不动。同时,团队还不断调研与收集国内外前沿进展,不断完善设计思路。

最终,在很短的研制时间里,团队创新研制了以“碳”为主的材料体系,并顺利解决了烧蚀后退等问题,完成了原本认为不可能完成的任务。

嫦娥五号的防热材料拥有完全的自主知识产权,达到了世界领先水平。之前国际上最好的防热材料是改进后的Avcoat5026。Avcoat5026是阿波罗飞船所用的防热材料,也是目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仍为烧蚀型防热材料,密度在0.56g/cm³左右。这种防热材料的制造工艺复杂、周期非常长,猎户座飞船大底的防热材料需要整整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0.5g/cm³,成型周期是猎户座的1/25。

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,后续还将开展小天体探测、载人登月探测、火星取样返回等探测计划,探测器或再入器的防热材料是关键技术之一,是关系探测成功与否的重要环节。后续,703所仍会再接再厉,发展防热材料技术,为我国空间探测活动提供技术支撑。

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我还没有学会写个人说明!
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