飞火星有“恐怖7分钟” 怎么解决？

Original 航天科技一院 中国运载火箭技术研究院 Today

　　长征五号遥四运载火箭已将火星探测器“天问一号”送入预定轨道，后续“天问一号”将经历长时间飞行，最终在极短的时间穿越火星大气层，经历“恐怖7分钟”后，着陆火星。火箭院研制出3种先进材料，为探测器安全着陆火星保驾护航。

“恐怖七分钟” 探测器都经历什么

　　火星上的大气层虽然比地球要稀薄一些，但探测器高速进入时，会与大气层剧烈摩擦，使探测器表面温度急剧升高，就如同一颗流星一样，如果不进行有效防护，将烧毁在大气层中。

　　别看火星上大气密度只有地球的1%，但其中二氧化碳占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。人类探测火星起步于20世纪60年代，2020年之前共实施了44次火星探测任务，只有24次任务取得了成功或部分成功，成功率54.5％，可见火星探测器成功着陆的难度有多高。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。

三种材料协同“作战” 抵御恶劣环境

　　火箭院航天材料及工艺研究所设计研制出3种材料，其中，“超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料”用在气动加热最严重的大底结构及大底拐角部位；“连续纤维增强中密度防热材料”应用在需要维持探测器整体形状的上下边缘和结构支撑部位；“超轻质烧蚀防热涂层材料”用在了气动加热较为缓和的背罩部位，它们协同“作战”，将守护探测器安全着陆火星。

“超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料”

    强度更高、密度更低     

▲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”，是空间飞行器防热的一员“老将”。“神舟”载人飞船、月地高速载入返回飞行器、“嫦娥五号”月球探测器中，“蜂窝增强低密度烧蚀防热材料”都发挥了热防护的关键作用。此次火星探测器上采用的是经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”们相比，它强度更高、密度更低，可承受1.5MW/㎡的热流环境，可耐受火星大气以二氧化碳为主的特殊气氛气动加热。

▲材料烧蚀情况

　　研发团队还根据探测器承受的气动载荷分布，对蜂窝格子进行了变厚度优化设计，使整个结构更加轻质化。同时，他们采用整体成型工艺，确保约70000个蜂窝格子一次性灌注到位，使整个探测器大底结构具有非常好的整体性，确保其在奔向火星的过程中承受高低温交变的结构稳定性。不论是成型效率、成型质量，还是成型可靠性，“超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料”都达到国际领先水平。

“连续纤维增强中密度防热材料”

    耐烧蚀、承载力“双优”     

　　“连续纤维增强中密度防热材料”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，相比较低密度材料强度更高，密度约为0.9g/cm?，兼顾了耐烧蚀和承载能力。

　　研发团队将轻质填料引入到连续纤维预浸料中，使得“连续纤维增强中密度防热材料”实现了轻质化，既满足结构要求，又具备轻质特点。

“超轻质烧蚀防热涂层材料”

   隔热性能好，耐盐雾耐湿热    

▲超轻质烧蚀防热涂层材料

　　与探测器大底直面火星大气冲刷不同，背罩结构在探测器侧面，受到的热流相对较低，航天材料及工艺研究所研制出超低密度防热涂层材料，密度仅为0.28g/cm?左右，热导率低至约0.06W/m·K，基本热物理性能达到国际先进水平，不仅隔热性能好，而且对探测器的减重起到重要作用。同时，还充分考虑发射场的环境影响和真空总质量损失等要求，持续优化材料，使其具备良好的耐盐雾、耐湿热性能。

▲超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料

　　探测器飞向火星时间长，而且轨道的变换、距离太阳的远近等，需要防热材料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，这就要求3种防热材料和结构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。

　　研发团队通过工程计算、数值模拟及必要的地面试验等方法，模拟这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，并进行进一步优化，最终确保其匹配性和完整性，使它们能够在恶劣的太空环境中“协同作战”，为探测器安全抵达、顺利着陆保驾护航。