嫦娥五號返回地球時，進(jìn)入大氣層后高速摩擦將使探測器表面溫度高達(dá)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(wù)是我國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰(zhàn)，如果把整個任務(wù)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(jù)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(jìn)入大氣層，高速摩擦將在探測器表面產(chǎn)生3000℃以上的高溫。如果高溫被傳導(dǎo)到返回器內(nèi)部，將對攜帶的月球“土特產(chǎn)”產(chǎn)生影響。為此，科學(xué)家們設(shè)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(zhì)由于地球引力進(jìn)入大氣層，與大氣高速摩擦燃燒所產(chǎn)生的天文現(xiàn)象。在這個過程中，大部分物質(zhì)都被燒毀了，極少有物質(zhì)能夠到達(dá)地面形成隕石。

航天器在飛行過程中也會與大氣層發(fā)生劇烈摩擦，從而在航天器表面產(chǎn)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(xiàn)變形、熔化和消失的現(xiàn)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(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)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(fā)揮其結(jié)構(gòu)承載性能，是航天器的“骨骼”。

據(jù)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(huán)氧樹脂基復(fù)合材料可耐受120℃左右的溫度，使用范圍比較廣泛，可以應(yīng)用于火箭整流罩、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件等；雙馬樹脂基復(fù)合材料可以耐受200℃以上的溫度，主要應(yīng)用于火箭防熱底板、儀器艙艙段等；而聚酰亞胺基復(fù)合材料則可耐受500℃左右的高溫，可應(yīng)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(yuǎn)，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(shù)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(qiáng)隔熱，難度就非常大了。

為減輕航天器載重負(fù)擔(dān)，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(jù)各部位受熱情況的不同，在大底迎風(fēng)面、大底背風(fēng)面、大底拐彎角環(huán)、側(cè)壁迎風(fēng)面、側(cè)壁背風(fēng)面、側(cè)壁艙蓋與邊緣防熱環(huán)、穩(wěn)定翼七大部位分別應(yīng)用了7種不同成分的防熱燒蝕材料。

比如，氣動加熱最嚴(yán)重的大底結(jié)構(gòu)，采用的是新型輕質(zhì)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(huán)境；拐角采用連續(xù)纖維增強(qiáng)中低密度結(jié)構(gòu)材料；側(cè)壁結(jié)構(gòu)采用的是超輕質(zhì)的蜂窩增強(qiáng)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(huán)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(jìn)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(jìn)入大氣層返回地面。

具體來說，在進(jìn)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(jìn)入大氣層，以這個速度從北京到上海耗時不到100秒。當(dāng)以第二宇宙速度移動時，材料溫度將達(dá)到3000℃以上。

進(jìn)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(jìn)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(dāng)于鍋先經(jīng)大火爆炒，然后被放進(jìn)冰塊里，再被從冰塊里拿出來經(jīng)歷小火慢燉。因此，這次的防熱材料不但要經(jīng)歷冷熱交變，更要同時經(jīng)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?zé)g強(qiáng)度要求。

“我國對空間探測防熱材料的研究是從上世紀(jì)80年代開始的，但這么復(fù)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(tuán)隊開展了集中攻關(guān)，最終創(chuàng)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(jù)了解，之前國際上最好的防熱材料是改進(jìn)后的Avcoat5026，這是阿波羅飛船所用的防熱材料，也是此前唯一經(jīng)歷載人登月返回特殊嚴(yán)酷熱環(huán)境的防熱材料。改進(jìn)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(fā)生分解、熔化等變化，借質(zhì)量消耗帶走大量的熱，以達(dá)到阻止再入大氣層時的熱流傳入飛行器內(nèi)部的目的。

但是這種防熱材料的制造工藝復(fù)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。
責(zé)編AJX