◎ 方洲 左小彪 高小方 科技日報記者 陳瑜

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(cong) 月球帶回了岩石和土壤樣本，我國成為(wei) 繼美國、蘇聯之後，第三個(ge) 實現月球采樣返回的國家。

17日1時59分，探月工程嫦娥五號返回器在內(nei) 蒙古四子王旗預定區域成功著陸。作者供圖此次“嫦娥五號”探測器返回地球，是以第二宇宙速度——11.2公裏/秒進入大氣層，高速摩擦將在探測器表麵產(chan) 生3000℃的高溫，其熱流超過了我國以往任何一個(ge) 再入返回的型號。

1600℃，鋼鐵會(hui) 化為(wei) 鐵水，即使金剛石在3000℃也會(hui) 融化。是什麽(me) 樣的防熱材料能讓“嫦娥五號”不懼高溫灼烤，保護正常運行、安全返回？我國空間探測經曆了返回式衛星、載人神舟飛船、月球無人探測、火星探測等活動。“嫦娥五號”的新型防熱外衣又有其獨特之處呢？

因各部位防熱需求不同穿“拚接款”我們(men) 所熟知的流星，就是太空中的塵埃和固體(ti) 塊等物質由於(yu) 地球引力進入大氣層，與(yu) 大氣高速摩擦燃燒所產(chan) 生的天文現象。在這個(ge) 過程中，大部分物質都被燒毀了，極少有物質能夠到達地麵形成隕石。

航天器在飛行過程中也會(hui) 與(yu) 大氣層發生劇烈摩擦，從(cong) 而在航天器表麵產(chan) 生超高溫，如果不使用防熱材料，在高溫作用下，航天器表麵材料很快就會(hui) 出現變形、熔化和消失的現象（也稱燒蝕後退），最後像流星一樣消失在天際。

防熱材料，顧名思義(yi) ，作用就是防止產(chan) 品內(nei) 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，由於(yu) 航天器不同的部位對防熱材料的需求不同，需要根據情況“量體(ti) 裁衣”，選擇不同耐熱溫度的材料。比如，環氧樹脂基複合材料可耐受120℃左右的溫度，使用範圍比較廣泛，可以應用於(yu) 火箭整流罩、衛星結構件等；雙馬樹脂基複合材料可以耐受200℃以上的溫度，主要應用於(yu) 火箭防熱底板、儀(yi) 器艙艙段等；而聚酰亞(ya) 胺基複合材料則可耐受500℃左右的高溫，可應用於(yu) 火箭及航天器的耐高溫部件。

對於(yu) 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(zhuan) 項主任工程師梁馨說，降低材料密度本身並不很難，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(wei) 減輕航天器載重負擔，科研人員要確保返回器防熱材料每1克重量都用在刀刃上，最終他們(men) 根據各部位受熱情況的不同，在大底迎風麵、大底背風麵、大底拐彎角環、側(ce) 壁迎風麵、側(ce) 壁背風麵、側(ce) 壁艙蓋與(yu) 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(yan) 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(wei) 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(ce) 壁結構采用的是超輕質的蜂窩增強防熱材料，密度約為(wei) 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(liang) 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(ge) 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，隨後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麵。

具體(ti) 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公裏的速度進入大氣層，以這個(ge) 速度從(cong) 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。

進入大氣層後沒多久，為(wei) 了減速，返回器會(hui) 向上跳躍回到太空，這時外部溫度是-120℃。接著又以每秒7.8公裏的第一宇宙速度進入大氣層，這時材料表麵溫度約為(wei) 1800℃。

打個(ge) 比喻，如果把返回器比喻成一口鍋，那麽(me) 上述過程相當於(yu) 鍋先經大火爆炒，然後被放進冰塊裏，再被從(cong) 冰塊裏拿出來經曆小火慢燉。因此，這次的防熱材料不但要經曆冷熱交變，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(cong) 上世紀80年代開始的，但這麽(me) 複雜的情況在我國的空間探測活動中屬於(yu) 首次。”梁馨說，為(wei) 此，團隊開展了集中攻關(guan) ，最終創新性地研製了以碳為(wei) 主的材料體(ti) 係，並順利解決(jue) 了燒蝕後退等問題。

據了解，之前國際上最好的防熱材料是改進後的Avcoat5026，這是阿波羅飛船所用的防熱材料，也是此前唯一經曆載人登月返回特殊嚴(yan) 酷熱環境的防熱材料。改進後的Avcoat5026密度為(wei) 每立方厘米0.56克左右，能夠在熱流作用下能發生分解、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(chuan) 入飛行器內(nei) 部的目的。

但是這種防熱材料的製造工藝複雜、周期非常長，以獵戶座飛船大底為(wei) 例，其防熱材料需要整整6個(ge) 月才能完成製造。而嫦娥五號探測器的防熱材料密度為(wei) 每立方厘米0.5克，成型周期是獵戶座飛船大底的1/25。來源：科技日報

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