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【行業動態】航天材料工藝助力“嫦娥”可上九天攬月,不懼飛速返航
來源: 時間: 2020-12-16 瀏覽: 50185

 (航天材料及工藝研究所 梁馨 方洲 左小彪 高小方供稿)

17日,“嫦娥五號”返回器帶著月壤成功返回地球,時隔44年,人類再次從月球帶回了巖石和土壤樣本,我國成為繼美國、蘇聯之后,第三個實現月球采樣返回的國家。

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此次“嫦娥五號”探測器返回地球,是以第二宇宙速度, 11.2km/s進入大氣層,高速摩擦將在探測器表面產生3000℃的高溫,其熱流超過了我國以往任何一個再入返回的型號,針對此,航天材料及工藝研究所研制團隊為其量身打造了新型防熱外衣,有效保證了“嫦娥五號”順利返回。

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(圖片來源網絡)

防熱外衣要輕

由于嫦娥五號要一次性實現“繞-落-回”,為了降低載重,最大化試驗效率,讓五姑娘輕裝上陣、安心挖土,防熱材料也要相應減重,只不過這一次,研制團隊對“輕”的要求幾乎達到了苛刻的程度。其實,一味降低材料密度本身并不是很難,但要讓材料的密度低,同時又要耐高溫、強隔熱,難度就非常大了。團隊成員死摳整個返回器防熱材料的重量,確保每一克重量都用在刀刃上,最終在不同部位按照受熱情況的不同,采用了7種防熱材料,例如:在氣動加熱最嚴重的大底結構采用的是新型的輕質C-Si-O蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料,其密度約為0.5g/cm3,可承受6MW/m2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0.36g/cm3,可承受1.5MW/m2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。

但是,在探測器“奔月”和“繞月”的過程中,由于軌道的變換和距離太陽的遠近,防熱結構不僅要承受幾乎完全真空、沒有大氣層和地磁保護的宇宙空間里面的各種離子的輻照,還要承受極低的溫度以及高低溫度的循環交變,這就對7種防熱材料的性能及其與承力結構的熱結構匹配性、整體性提出了更高的要求,就好比讓軟硬不同的“裝修材料”鋪滿整個房間,而且這些材料還不能因為冷熱交替變形、開裂,難度可想而知。經過航天材料及工藝研究所科研團隊的不懈努力,攻克了側壁、大底整體防熱結構及七種不同防熱材料匹配的難題,滿足了月球采樣返回防熱材料輕質又防熱的苛刻要求。

防熱外衣要強

防熱材料除了越輕越好,還需要擁有足夠的強度。這就好比大家冬天穿羽絨服,除了希望羽絨服盡可能的輕,不要穿在身上沉甸甸的之外,還希望羽絨服盡可能結實,不要風一吹、水一洗就破了。特別是防熱材料面對的是幾千攝氏度的高溫,在高溫下還要保持一定的強度。

這次,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,形容點形象就是打水漂返回。這種方式怎么理解呢,嫦娥五號在進入返回軌道時,一開始是以第二宇宙速度,11.2km/s進入大氣層,整個速度有多快?相當于從北京到上海不到100秒,材料溫度會達到3000℃;進入大氣層后沒多久,為了減速,她會向上跳躍回到太空,這個時候外部溫度是-120℃;后又以第一宇宙速度7.8km/s進入大氣層,這時候材料溫度是1800℃。打個比喻,如果把返回器比喻成一口鍋,那么上述過程就相當于這個鍋先大火爆炒,然后放進冰塊里,再從冰塊里拿出來小火慢燉。因此,這次的防熱材料不僅要經歷冷熱交變,更要同時經受住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非常高的高溫燒蝕強度要求。這是我國首次遇到這類情況,而且時間緊迫。

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(圖片來源于網絡)

為此,團隊開展了集中攻關,清晨安排試驗、上午調整參數、下午討論分析、晚上總結優化,每天雷打不動。同時不斷調研與收集國內外前沿進展,不斷完善設計思路。最終在很短的研制時間里,創新研制了以“碳”為主的材料體系,并順利解決了燒蝕后退等問題。完成了原本認為不可能完成的任務。

嫦娥五號的防熱材料擁有完全的自主知識產權,達到了世界領先水平。之前國際上最好的防熱材料是改進后的Avcoat5026,Avcoat5026是阿波羅飛船所用的防熱材料,也是目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仍為燒蝕型防熱材料,密度在0.56g/cm3左右。這種防熱材料的制造工藝復雜、周期非常長,獵戶座飛船大底的防熱材料需要整整六個月才能完成制造。而嫦娥五號探測器的防熱材料密度為0.5g/cm3,成型周期是獵戶座的1/25。

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(圖片來源于網絡)

我國空間探測經歷了返回式衛星、載人神舟飛船、月球無人探測、火星探測等活動,后續還將開展小天體探測、載人登月探測、火星取樣返回等探測計劃,探測器或再入器的防熱材料是關鍵技術之一,是關系探測成功與否的重要環節。后續航天材料及工藝研究所仍會再接再厲,發展防熱材料技術,為我國空間探測活動提供技術支撐。

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