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【行业动态】航天材料工艺助力“嫦娥”可上九天揽月,不惧飞速返航
来源: 时间: 2020-12-16 浏览: 4017

 (航天材料及工艺研究所 梁馨 方洲 左小彪 高小方供稿)

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。

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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,高速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,针对此,航天材料及工艺研究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”顺利返回。

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(图片来源网络)

防热外衣要轻

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。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。

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面的各种离子的辐照,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。经过航天材料及工艺研究所科研团队的不懈努力,攻克了侧壁、大底整体防热结构及七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。

防热外衣要强

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的轻,不要穿在身上沉甸甸的之外,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,形容点形象就是打水漂返回。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不到100秒,材料温度会达到3000℃;进入大气层后没多久,为了减速,她会向上跳跃回到太空,这个时候外部温度是-120℃;后又以第一宇宙速度7.8km/s进入大气层,这时候材料温度是1800℃。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。这是我国首次遇到这类情况,而且时间紧迫。

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(图片来源于网络)

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,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六个月才能完成制造。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。

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(图片来源于网络)

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。后续航天材料及工艺研究所仍会再接再厉,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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