“天問一號”超輕質蜂窩增強燒蝕防熱材料揭秘 隔熱性能優良

5月15日，“天問一號”在火星著陸。著陸前，“天問一號”經歷了“恐怖9分鐘”：著陸器高速進入火星大氣層，與大氣層摩擦后，著陸器表面溫度急劇升高，如同一顆流星經歷高溫灼烤。

著陸防熱技術是保證探測器安全著陸的關鍵，直接關系任務成敗。作為此次“天問一號”著陸器防熱技術的主要研制單位，中國運載火箭技術研究院航天材料及工藝研究所研究員梁馨告訴記者，火星大氣中二氧化碳占95%，氮氣占3%。經歷高溫灼烤的著陸器，在有別于地球大氣的環境下，將發生更加復雜的物理化學反應，著陸環境更加嚴苛。航天材料及工藝研究所量體裁衣地設計研制了三種材料，協同作戰守護“天問一號”安全著陸火星。

超輕質蜂窩增強燒蝕防熱材料密度更低防熱效率更高

蜂窩增強輕質燒蝕防熱材料是空間飛行器防熱的一員“老將”。“神舟”號載人飛船、月地高速再入返回飛行器、“嫦娥五號”月球探測器中，蜂窩增強輕質燒蝕防熱材料都發揮了熱防護的關鍵作用。

此次火星探測器上采用的是經配方優化設計的新型超輕質蜂窩增強燒蝕防熱材料。

與“前輩”相比，此材料密度更低、防熱效率更高，并且可以根據承受的氣動載荷分布進行變厚度優化設計，在保證探測器拐角部位能夠耐受更嚴苛的氣動載荷的情況下，讓整個結構的材料更加輕質化。同時，探測器大底結構具有非常好的整體性，確保在奔向火星過程中，即使承受高低溫交變，也能保證結構的可靠性。

該材料密度約為0.36克/立方厘米，每平方米可承受1.5兆瓦的熱流環境，可耐受火星大氣以CO2為主的特殊氣氛氣動加熱。探測器大底結構的直徑達到3.4米左右，包括約70000個蜂窩格子，團隊采用整體成型工藝，確保了在如此多的蜂窩格子中材料一次性灌注到位。

連續纖維增強中密度防熱材料兼顧耐燒蝕和承載能力

由于火星距離地球較遠，為使運載火箭推送得更遠，“天問一號”不能過重，需要盡可能“壓榨”防熱結構及材料重量。除了超輕質蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料，團隊還研制了連續纖維增強中密度防熱結構一體化材料，既能滿足結構要求，又具備輕質特點。

該材料主要用于探測器大底及背罩防熱結構的艙蓋、封邊環、埋件、螺塞等零部件，相比較低密度材料，其強度更高，密度約為0.9克/立方厘米，兼顧了耐燒蝕和承載能力。該材料使用了三元長纖維組成的SPQ纖維布增強體系，并將輕質填料引入到連續纖維增強的預浸料中，實現了對傳統連續纖維增強燒蝕防熱材料的輕質化。

超輕質燒蝕防熱涂層材料隔熱性能優良

與探測器大底直面火星大氣沖刷不同，背罩結構在著陸器側面，受到的熱流相對更低，因此，二者在防熱上要求不同。對此，航天材料及工藝研究所研制出超低密度防熱涂層材料，密度僅為0.28克/立方厘米左右，熱導率低至約0.06瓦每米開，不僅隔熱性能優良，也能給著陸器減重。

不僅如此，團隊經過攻關，解決了防熱涂料傳輸技術難題，利用噴涂機械臂，實現了背罩結構表面超低密度防熱涂層材料的機械臂施工，解決了手工施工均勻性差的問題，提高了涂層的施工質量和效率。

梁馨同時表示，探測器飛向火星的時間長達8個月，由于軌道以及距離太陽遠近的變化，防熱材料還要承受極低的溫度以及高低溫度循環交變，“冰火兩重天”很容易導致材料出現開裂、脫落等災難性問題。研發團隊通過工程計算、數值模擬及必要的地面試驗等方法，最終確保這三種材料能夠在茫茫太空中“協同作戰”，為探測器安全抵達、順利著陸保駕護航。