5月15日，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器在火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)著陸，在火星上首次留下中國(guó)印跡，邁出了我國(guó)星際探測(cè)征程的重要一步。

火星的環(huán)境是出了名的惡劣，那么，在“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器成功發(fā)射的背后，有哪些新材料扮演了重要角色?

1. 超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)燒蝕防熱材料 密度更低防熱效率更高

蜂窩增強(qiáng)輕質(zhì)燒蝕防熱材料是空間飛行器防熱的一員“老將”。“神舟”號(hào)載人飛船、月地高速再入返回飛行器、“嫦娥五號(hào)”月球探測(cè)器中，蜂窩增強(qiáng)輕質(zhì)燒蝕防熱材料都發(fā)揮了熱防護(hù)的關(guān)鍵作用。

此次火星探測(cè)器上采用的是經(jīng)配方優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)燒蝕防熱材料。

▲超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)燒蝕防熱材料

與“前輩”相比，此材料密度更低、防熱效率更高，并且可以根據(jù)承受的氣動(dòng)載荷分布進(jìn)行變厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證探測(cè)器拐角部位能夠耐受更嚴(yán)苛的氣動(dòng)載荷的情況下，讓整個(gè)結(jié)構(gòu)的材料更加輕質(zhì)化。同時(shí)，探測(cè)器大底結(jié)構(gòu)具有非常好的整體性，確保在奔向火星過(guò)程中，即使承受高低溫交變，也能保證結(jié)構(gòu)的可靠性。

該材料密度約為0.36克/立方厘米，每平方米可承受1.5兆瓦的熱流環(huán)境，可耐受火星大氣以CO2（下標(biāo)）為主的特殊氣氛氣動(dòng)加熱。探測(cè)器大底結(jié)構(gòu)的直徑達(dá)到3.4米左右，包括約70000個(gè)蜂窩格子，團(tuán)隊(duì)采用整體成型工藝，確保了在如此多的蜂窩格子中材料一次性灌注到位。

2. 連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱材料 兼顧耐燒蝕和承載能力

由于火星距離地球較遠(yuǎn)，為使運(yùn)載火箭推送得更遠(yuǎn)，“天問(wèn)一號(hào)”不能過(guò)重，需要盡可能“壓榨”防熱結(jié)構(gòu)及材料重量。除了超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料，團(tuán)隊(duì)還研制了連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱結(jié)構(gòu)一體化材料，既能滿足結(jié)構(gòu)要求，又具備輕質(zhì)特點(diǎn)。

該材料主要用于探測(cè)器大底及背罩防熱結(jié)構(gòu)的艙蓋、封邊環(huán)、埋件、螺塞等零部件，相比較低密度材料，其強(qiáng)度更高，密度約為0.9克/立方厘米，兼顧了耐燒蝕和承載能力。該材料使用了三元長(zhǎng)纖維組成的SPQ纖維布增強(qiáng)體系，并將輕質(zhì)填料引入到連續(xù)纖維增強(qiáng)的預(yù)浸料中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)連續(xù)纖維增強(qiáng)燒蝕防熱材料的輕質(zhì)化。

3. 超輕質(zhì)燒蝕防熱涂層材料 隔熱性能優(yōu)良

與探測(cè)器大底直面火星大氣沖刷不同，背罩結(jié)構(gòu)在著陸器側(cè)面，受到的熱流相對(duì)更低，因此，二者在防熱上要求不同。對(duì)此，航天材料及工藝研究所研制出超低密度防熱涂層材料，密度僅為0.28克/立方厘米左右，熱導(dǎo)率低至約0.06瓦每米開(kāi)，不僅隔熱性能優(yōu)良，也能給著陸器減重。

▲超輕質(zhì)燒蝕防熱涂層材料

此外，探測(cè)器飛向火星的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月，由于軌道以及距離太陽(yáng)遠(yuǎn)近的變化，防熱材料還要承受極低的溫度以及高低溫度循環(huán)交變，“冰火兩重天”很容易導(dǎo)致材料出現(xiàn)開(kāi)裂、脫落等災(zāi)難性問(wèn)題。在這樣的惡劣條件下，三種防熱材料和結(jié)構(gòu)需要與著陸器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持良好的結(jié)構(gòu)熱匹配性和完整性。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)工程計(jì)算、數(shù)值模擬及必要的地面試驗(yàn)等方法，最終確保這三種材料的匹配性和完整性，使它們能夠在茫茫太空中“協(xié)同作戰(zhàn)”，為探測(cè)器安全抵達(dá)、順利著陸保駕護(hù)航。

4. 新型SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料 重量輕、強(qiáng)度高、剛性好、寬溫度范圍

據(jù)了解，從“天問(wèn)一號(hào)”探火到“北斗三號(hào)”導(dǎo)航，都用了一種特殊材料，新型SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材。

為了滿足“北斗”衛(wèi)星對(duì)某關(guān)鍵機(jī)構(gòu)材料的高強(qiáng)、高模、高導(dǎo)熱及尺寸穩(wěn)定等綜合性能的特殊要求，金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張荻、歐陽(yáng)求保教授團(tuán)隊(duì)在已有研發(fā)出的高性能SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料基礎(chǔ)上，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的輕量化，還為機(jī)構(gòu)的高精度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

據(jù)悉，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器上也成功應(yīng)用這種對(duì)某關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的材料需求，共交付30余件。新型的SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料構(gòu)件重量輕、強(qiáng)度高、剛性好、寬溫度范圍下尺寸穩(wěn)定，助力“天問(wèn)一號(hào)”開(kāi)展火星探測(cè)。

5. 基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料

作為我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器將通過(guò)一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的“環(huán)繞、著陸、巡視”三個(gè)目標(biāo)。要承擔(dān)火星巡視探測(cè)重任，完成為期90天的巡視探索任務(wù)，最重要的就是能源供應(yīng)，它關(guān)系到火星車(chē)的“生死存亡”。

為此，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器搭載了“基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可展開(kāi)柔性太陽(yáng)能電池系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的形狀記憶復(fù)合材料鎖緊釋放機(jī)構(gòu)、形狀記憶聚合物復(fù)合材料可展開(kāi)梁和上海空間電源研究所研制的柔性太陽(yáng)能薄膜電池。該系統(tǒng)基于復(fù)合材料力學(xué)理論、結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)和形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)柔性太陽(yáng)能電池的鎖緊、釋放和展開(kāi)，以及展開(kāi)后高剛度可承載等功能。

來(lái)源：中國(guó)工業(yè)報(bào)社