航天材料及工艺研究所的高性能复合材料将守护“天问一号”探访神秘火星

7月23日,长征五号遥四运载火箭成功发射,将火星探测器“天问一号”送入预定轨道,火星之旅正式启航。这是我国首次火星探测任务,将在完全陌生的火星环境下一次性实现火星环绕、着陆和巡视三项任务。

接下来,“天问一号”最重要的步骤之一就是着陆,众所周知,探测器着陆要在极短的时间穿越火星大气层,经历“恐怖七分钟”。在这7分钟里,探测器高速进入大气层,与大气层摩擦会使其表面温度急剧升高,就如同一颗流星一样经历高温灼烤;由于火星大气成分的特殊性,其中二氧化碳占95%,氮气占3%,在高热状态下会发生更加复杂的物理化学反应,使得着陆环境更加严苛,因此,着陆过程中需要高效的防热结构对探测器进行保护,以保证其完好无损。可以说着陆防热技术是保证探测器安全着陆的关键,直接关系任务成败。

航天材料及工艺研究所作为此次“天问一号”着陆防热技术的主要研制单位,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”研制了三种防热复合材料,在气动加热最严重的大底结构及大底拐角部位采用了超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料;在需要维持探测器整体形状的上下边缘和结构支撑部位采用了连续纤维增强中密度防热材料;在气动加热较为缓和的背罩部位采用了防热涂层材料。这三种材料协同作战,将守护“天问一号”安全着陆,探访神秘火星。

超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料

蜂窝增强低密度烧蚀防热材料可以说是空间飞行器防热的一员“老将”。“神舟”号载人飞船、“嫦娥五号”月球探测器中,蜂窝增强低密度烧蚀防热材料都发挥了关键作用。此次火星探测器上采用的是改进的新型超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料。跟它的“前辈”相比,此材料强度更高、密度更低,可以根据气动载荷分布对其进行变厚度变密度优化设计,在保证探测器能够耐受更严苛的气动载荷的情况下,实现更加轻质化。一体化成型技术使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变的结构稳定性。

该材料密度约为0.36g/cm3,可承受1.5MW/m2的热流环境,可耐受火星大气以CO2为主的特殊气氛气动加热。探测器大底结构的直径达到3.4m左右,共计约70000个蜂窝格子,采用整体成型工艺,实现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。

连续纤维增强中密度防热材料

由于火星距离地球较远,为使运载火箭推送的更远,天问一号探测器的重量不能过大,需要尽可能地“压榨”防热结构及材料的重量。航天材料及工艺研究所还研制了连续纤维增强中密度防热材料。

该材料主要用作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,密度约为0.9g/cm3,兼顾了耐烧蚀和承载能力。该材料使用了三元长纤维组成的SPQ纤维布增强体系,并将轻质填料引入到连续纤维增强的预浸料中,实现了连续纤维增强烧蚀防热材料的轻质化。

超轻质的烧蚀防热涂层材料

与探测器大底直面火星大气冲刷不同,背罩结构在着陆器侧面,受到的热流相对更低。航天材料及工艺研究所研制了超低密度防热涂层材料,密度仅为0.28g/cm3左右,热导率低至约0.06W/m﹒K,其基本热物理性能达到国际先进水平,不仅隔热性能优良,对着陆器的减重也起到了重要作用。该材料还能够适应发射场的环境和真空总质量损失等要求,通过了耐盐雾、耐湿热性能考核,真空总质量损失≤1%,可凝挥发份≤0.1%,满足设计要求。

不仅如此,涂层施工工艺也实现了自动化。背罩结构大端直径约3.4m,面积约20 m2,传统的手工作业方式将很难保证涂层的均匀性。经过攻关,解决了防热涂料传输技术难题,利用喷涂机械臂实现了背罩结构表面超低密度防热涂层材料的自动化喷涂,有效提高了涂层的施工质量和效率。

三种材料“协同作战”

这三种材料在任务执行过程中,还需要考虑的一个重要因素就是它们之间的结构热匹配性。探测器飞向火星的时间长达8个月,由于轨道的变换和距离太阳的远近,防热材料要承受极低的温度以及高低温的循环交变,“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,三种防热材料需要与探测器的内部结构保持良好的结构热匹配性和完整性。

通过工程计算、数值模拟及必要的地面试验,分析这三种材料在极低温及高低温交变的空间环境下的结构变化情况,再根据实验结果优化修正,最终实现了这三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。