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什么樣的外衣讓“嫦娥”比鉆石還剛

時間:2020-12-18 14:14:18 來源:科技日報

落月后的嫦娥五號探測器模擬圖 新華社記者 金立旺攝

  嫦娥五號返回地球時,進入大氣層后高速摩擦將使探測器表面溫度高達3000℃以上,而這樣的溫度下幾乎連金剛石都會熔化,那么——

  嫦娥五號任務是我國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰,如果把整個任務比作一場接力跑,那么嫦娥五號返回地球就是最后的一棒。

  據介紹,此次嫦娥五號返回器回到地球,是以第二宇宙速度——11.2公里/秒進入大氣層,高速摩擦將在探測器表面產生3000℃以上的高溫。如果高溫被傳導到返回器內部,將對攜帶的月球“土特產”產生影響。為此,科學家們設計了一系列措施保證嫦娥五號返回器平安回家。

  因各部位防熱需求不同而穿“拼接款”

  我們所熟知的流星,就是太空中的塵埃和固體塊等物質由于地球引力進入大氣層,與大氣高速摩擦燃燒所產生的天文現象。在這個過程中,大部分物質都被燒毀了,極少有物質能夠到達地面形成隕石。

  航天器在飛行過程中也會與大氣層發生劇烈摩擦,從而在航天器表面產生超高溫,如果不使用防熱材料,在高溫作用下,航天器表面材料很快就會出現變形、熔化和消失的現象(也稱燒蝕后退),最后像流星一樣消失在天際。

  防熱材料,顧名思義,作用就是防止產品內部的結構被外界的高溫所熔化,航天器的防熱材料需要在耐高溫的同時發揮其結構承載性能,是航天器的“骨骼”。

  據介紹,由于航天器不同的部位對防熱材料的需求不同,需要選擇不同耐熱溫度的材料。比如,環氧樹脂基復合材料可耐受120℃左右的溫度,使用范圍比較廣泛,可以應用于火箭整流罩、衛星結構件等;雙馬樹脂基復合材料可以耐受200℃以上的溫度,主要應用于火箭防熱底板、儀器艙艙段等;而聚酰亞胺基復合材料則可耐受500℃左右的高溫,可應用于火箭及航天器的耐高溫部件。

  對于高速穿越大氣層的航天器來說,輕裝上陣能飛得更遠,例如火箭末級每減輕1千克重量,就能增加1千克的有效載荷,或是增加15千米左右的射程。中國運載火箭技術研究院航天材料及工藝研究所專項主任工程師梁馨說,降低材料密度本身并不很難,但要讓材料的密度低,同時又能耐高溫、強隔熱,難度就非常大了。

  為減輕航天器載重負擔,科研人員要確保嫦娥五號返回器防熱材料每1克重量都用在刀刃上,最終他們根據各部位受熱情況的不同,在大底迎風面、大底背風面、大底拐彎角環、側壁迎風面、側壁背風面、側壁艙蓋與邊緣防熱環、穩定翼七大部位分別應用了7種不同成分的防熱燒蝕材料。

  比如,氣動加熱最嚴重的大底結構,采用的是新型輕質低密度燒蝕防熱材料,其密度約為每立方厘米0.5克,每平方米可承受6兆瓦(MW)的熱流環境;拐角采用連續纖維增強中低密度結構材料;側壁結構采用的是超輕質的蜂窩增強防熱材料,密度約為每立方厘米0.36克,每平方米可承受1.5MW的熱流環境。這7種材料相互配合、和諧相處,防熱減重兩不誤。

  防熱外衣要扛住“大火爆炒”和“小火慢燉”

  此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,形象地說就是打水漂式返回。讓返回器先高速進入大氣層,隨后借助大氣層提供的升力“跳”起來,再以第一宇宙速度重新進入大氣層返回地面。

  具體來說,在進入返回軌道時,返回器一開始是以第二宇宙速度,即每秒11.2公里的速度進入大氣層,以這個速度從北京到上海耗時不到100秒。當以第二宇宙速度移動時,材料溫度將達到3000℃以上。

  進入大氣層后沒多久,為了減速,返回器會向上跳躍回到太空,這時外部溫度是-120℃。接著又以每秒7.8公里的第一宇宙速度進入大氣層,這時材料表面溫度約為1800℃。

  打個比喻,如果把返回器比喻成一口鍋,那么上述過程相當于鍋先經大火爆炒,然后被放進冰塊里,再被從冰塊里拿出來經歷小火慢燉。因此,這次的防熱材料不但要經歷冷熱交變,更要同時經受“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極高的高溫燒蝕強度要求。

  “我國對空間探測防熱材料的研究是從上世紀80年代開始的,但這么復雜的情況在我國的空間探測活動中屬于首次?!绷很罢f,為此,團隊開展了集中攻關,最終創新性地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。

  據了解,之前國際上最好的防熱材料是改進后的Avcoat5026,這是阿波羅飛船所用的防熱材料,也是此前唯一經歷載人登月返回特殊嚴酷熱環境的防熱材料。改進后的Avcoat5026密度為每立方厘米0.56克左右,能夠在熱流作用下發生分解、熔化等變化,借質量消耗帶走大量的熱,以達到阻止再入大氣層時的熱流傳入飛行器內部的目的。

  但是這種防熱材料的制造工藝復雜、周期非常長,以獵戶座飛船大底為例,其防熱材料需要整整6個月才能完成制造。而嫦娥五號探測器的防熱材料密度為每立方厘米0.5克,成型周期是獵戶座飛船大底的1/25。

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編輯: 劉坤媛
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