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航天科技一院703所为天问一号探测器研制新型防护材料侧记
来源:腾讯分分官网注册航天报     日期:2020年07月31日    字体:【】【】【

7月23日,长征五号遥四运载火箭成功发射,备受瞩目的天问一号火星探测器被送入预定轨道。

“天问一号”通过着陆巡视组合体来完成着陆和巡视两项任务。着陆巡视组合体包括进入舱和火星车两部分,进入舱负责着陆,火星车负责科学探测。

据介绍,奔向火星的过程中,最大的难点在于“恐怖9分钟”:再入、下降与着陆过程中,要在9分钟内将探测器的时速从每小时2万多千米降低至0。因此,如何做好探测器的热防护,关系着火星车能否安全到达火星表面开展相关工作,关系着火星探测任务的成败。

这背后,航天科技腾讯分分官网注册一院703所为探测器量身定制的新材料发挥着重要作用。

“量体裁衣”创新研制出新材料

与月球不同的是,火星上存在着大气层。虽然火星大气比地球要稀薄一些,但在着陆器高速进入的情况下,与大气层的高速摩擦也会使着陆器表面温度急剧升高,就如同流星一样,如果不进行有效的防护,就可能被烧毁在大气层中。

虽然火星上大气密度只有地球的1%,但其大气中二氧化碳占95%,氮气占3%。与从地球轨道上返回的飞船相比,着陆火星的探测器在高热状态下会发生更加复杂的物理化学反应。据统计,2020年之前,人类共实施了44次火星探测任务,其中只有8次任务成功着陆,比率仅为18%,可见火星探测器成功着陆的难度之大。

为护卫“天问一号”安全着陆,703所根据探测器形状、不同部位所承受的气动载荷及热流密度的不同,“量体裁衣”创新研制了3种材料:超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料、连续纤维增强中密度防热材料和超轻质大面积防热涂层材料。当探测器着陆时,材料表面与火星大气摩擦并发生复杂的物理化学反应,带走大量的热,同时材料内部具有良好的保温隔热性能。因此,即便材料表面“热浪滚滚”,里面却依旧“凉爽宜人”,能有效保护探测器不被烧坏。

新型防护材料各显神通

火星距离地球较远,为使运载火箭推送得更远,天问一号探测器的重量不能过大,因此对探测器防热结构的重量要求也十分苛刻。在这种情况下要完成热防护使命,就必须采用最优化设计,最大程度发挥材料的防热性能和防热效率。

天问一号探测器着陆过程中,受热最严重的大底部分采用的是超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料。该材料是空间飞行器防热的一员“老将”,在神舟飞船、月地高速再入返回飞行器腾讯分分官网注册曾发挥了热防护的关键作用。

此次火星探测器上采用的是配方优化设计的新型超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料。跟“前辈”相比,此材料强度更高、密度更低,并且可以根据承受的气动载荷分布对蜂窝格子进行变厚度优化设计,在保证探测器拐角部位能够耐受更严苛的气动载荷的情况下,使整个结构的材料重量更加轻质化。

探测器大底结构的直径达到3.4米左右,共计约7万个蜂窝格子,团队采用整体成型工艺,确保了在如此多的蜂窝格子中材料一次性灌注到位,不论是成型效率、成型质量还是成型可靠性都达到国际领先水平。整个探测器大底结构具有非常好的整体性,确保了其在奔向火星的过程中承受高低温交替变化的结构稳定性。

除了大面积的低密度烧蚀防热材料之外,探测器的其他部位还需要一些更具承载能力的防热材料。因此,团队还研制了连续纤维增强中密度防热材料,既能满足结构要求,又具备轻质特点。该材料主要用于探测器大底及背罩防热结构的舱盖、封边环、埋件、螺塞等零部件,相比较低密度材料其强度更高,兼顾耐烧蚀和承载能力。

而在受到热流相对较低的背罩结构上,团队采用的是超轻质的烧蚀防热涂层材料。该材料基本热物理性能达到国际先进水平,不仅隔热性能优良,也对着陆器的减重起到重要作用。同时,团队还充分考虑发射场的环境影响和腾讯分分官网注册总质量损失等要求,持续优化材料,均通过耐盐雾、耐湿热性能试验,腾讯分分官网注册总质量损失等均满足设计要求。

三种材料应对“冰火两重天”

703所为天文一号探测器研制的这3种材料在结构、配方及工艺设计时,还需要考虑的一个重要因素是它们之间的结构热匹配性。

探测器飞向火星的时间较长,由于轨道的变换和距离太阳的远近,防热材料在飞行过程中要承受极低的温度以及高低温度的循环交变,“冰火两重天”很容易导致材料发生开裂、脱落等灾难性问题。

在这样的恶劣条件下,3种防热材料和结构需要与着陆器的内部结构保持良好的结构热匹配性和完整性。

团队通过工程计算、数值模拟及必要的地面试验等方法,设计模拟3种材料在极低温、高低温交变的空间环境下的结构变化及烧蚀匹配性,再根据实验结果进行优化设计,最终确保这3种材料的匹配性和完整性,使它们能够在茫茫太空中“协同作战”,为探测器安全抵达、顺利着陆保驾护航。(梁馨 李翔 范海波)

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