作者 | 趙云峰，副總師，航天材料及工藝研究所研究員 

（圖片來源：人民日報）

7月23日，長征五號遙四運載火箭成功發射，將火星探測器“天問一號”送入預定軌道，火星之旅正式啟航。這是我國首次火星探測任務，將在完全陌生的火星環境下一次性實現火星環繞、著陸和巡視三項任務。

接下來，“天問一號”最重要的步驟之一就是著陸，眾所周知，探測器著陸要在極短的時間穿越火星大氣層，經歷“恐怖七分鐘”。在這7分鐘里，探測器高速進入大氣層，與大氣層摩擦會使其表面溫度急劇升高，就如同一顆流星一樣經歷高溫灼烤；由于火星大氣成分的特殊性，其中二氧化碳占95%，氮氣占3%，在高熱狀態下會發生更加復雜的物理化學反應，使得著陸環境更加嚴苛，因此，著陸過程中需要高效的防熱結構對探測器進行保護，以保證其完好無損。可以說著陸防熱技術是保證探測器安全著陸的關鍵，直接關系任務成敗。

航天材料及工藝研究所作為此次“天問一號”著陸防熱技術的主要研制單位，根據探測器形狀、不同部位所承受的氣動載荷及熱流密度的不同，“量體裁衣”研制了三種防熱復合材料，在氣動加熱最嚴重的大底結構及大底拐角部位采用了超輕質的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料；在需要維持探測器整體形狀的上下邊緣和結構支撐部位采用了連續纖維增強中密度防熱材料；在氣動加熱較為緩和的背罩部位采用了防熱涂層材料。這三種材料協同作戰，將守護“天問一號”安全著陸，探訪神秘火星。

超輕質蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料

蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料可以說是空間飛行器防熱的一員“老將”。“神舟”號載人飛船、“嫦娥五號”月球探測器中，蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料都發揮了關鍵作用。此次火星探測器上采用的是改進的新型超輕質蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料。跟它的“前輩”相比，此材料強度更高、密度更低，可以根據氣動載荷分布對其進行變厚度變密度優化設計，在保證探測器能夠耐受更嚴苛的氣動載荷的情況下，實現更加輕質化。一體化成型技術使整個探測器大底結構具有非常好的整體性，確保了其在奔向火星的過程中承受高低溫交變的結構穩定性。

該材料密度約為0.36g/cm3，可承受1.5MW/m2的熱流環境，可耐受火星大氣以CO2為主的特殊氣氛氣動加熱。探測器大底結構的直徑達到3.4m左右，共計約70000個蜂窩格子，采用整體成型工藝，實現了在如此多的蜂窩格子中材料一次性灌注到位，不論是成型效率、成型質量還是成型可靠性都達到國際領先水平。

連續纖維增強中密度防熱材料

由于火星距離地球較遠，為使運載火箭推送的更遠，天問一號探測器的重量不能過大，需要盡可能地“壓榨”防熱結構及材料的重量。航天材料及工藝研究所還研制了連續纖維增強中密度防熱材料。

該材料主要用作探測器大底及背罩防熱結構的艙蓋、封邊環、埋件、螺塞等零部件，相比較低密度材料其強度更高，密度約為0.9g/cm3，兼顧了耐燒蝕和承載能力。該材料使用了三元長纖維組成的SPQ纖維布增強體系，并將輕質填料引入到連續纖維增強的預浸料中，實現了連續纖維增強燒蝕防熱材料的輕質化。

超輕質的燒蝕防熱涂層材料

與探測器大底直面火星大氣沖刷不同，背罩結構在著陸器側面，受到的熱流相對更低。航天材料及工藝研究所研制了超低密度防熱涂層材料，密度僅為0.28g/cm3左右，熱導率低至約0.06W/m﹒K，其基本熱物理性能達到國際先進水平，不僅隔熱性能優良，對著陸器的減重也起到了重要作用。該材料還能夠適應發射場的環境和真空總質量損失等要求，通過了耐鹽霧、耐濕熱性能考核，真空總質量損失≤1%，可凝揮發份≤0.1%，滿足設計要求。

不僅如此，涂層施工工藝也實現了自動化。背罩結構大端直徑約3.4m，面積約20 m2，傳統的手工作業方式將很難保證涂層的均勻性。經過攻關，解決了防熱涂料傳輸技術難題，利用噴涂機械臂實現了背罩結構表面超低密度防熱涂層材料的自動化噴涂，有效提高了涂層的施工質量和效率。

三種材料“協同作戰”

這三種材料在任務執行過程中，還需要考慮的一個重要因素就是它們之間的結構熱匹配性。探測器飛向火星的時間長達8個月，由于軌道的變換和距離太陽的遠近，防熱材料要承受極低的溫度以及高低溫的循環交變，“冰火兩重天”很容易導致材料發生開裂、脫落等災難性問題。在這樣的惡劣條件下，三種防熱材料需要與探測器的內部結構保持良好的結構熱匹配性和完整性。

通過工程計算、數值模擬及必要的地面試驗，分析這三種材料在極低溫及高低溫交變的空間環境下的結構變化情況，再根據實驗結果優化修正，最終實現了這三種材料的匹配性和完整性，使它們能夠在茫茫太空中“協同作戰”，為探測器安全抵達、順利著陸保駕護航。