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主题 : 高科技“霓裳羽衣”助力嫦娥五号畅游太空
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楼主 发表于: 2021-02-05  

高科技“霓裳羽衣”助力嫦娥五号畅游太空

【技术创新
高科技“霓裳羽衣”助力嫦娥五号畅游太空
◎梁馨 方洲 左小彪 高小方

20201217日,嫦娥五号返回器带着月壤成功返回地球,让我国成为继美国、苏联之后,第三个实现月球采样返回的国家。嫦娥五号返回器的外壳采用的是火箭院航天材料及工艺研究所的科研团队人员为其量身打造的高科技“霓裳羽衣”。

7种新型材料,防热减重两不误

由于嫦娥五号要一次性实现“绕--过程并最大化实现试验效率,让“五姑娘”轻装上阵、安心挖土,降低载重尤其重要为了“减重”,2011立项以来,防热材料研制团队对“轻”的要求达到了苛刻的程度。
其实,一味降低材料密度本身并不是很难,但要让材料密度低,同时还要耐高温、强隔热,难度就非常大了。科研团队人员死抠返回器防热材料重量,确保每一克重量都用在刀刃上,最终根据嫦娥五号返回器的不同部位受热情况不同,采用了7种防热材料。例如,在气动加热最严重的大底结构采用的是新型的轻质C-Si-O(条带状、磁铁矿、尖晶石)蜂窝增强低密度烧蚀防热材料,其密度约为0.5/立方米,可承受6兆瓦/平方米的热流环境拐角采用连续纤维增强中低密度结构材料侧壁结构采用的是超轻质的蜂窝增强防热材料,密度约为0.36/立方米,可承受1.5兆瓦/平方米的热流环境。7种材料相互配合、“和谐相处”,防热减重两不误。
但是,在探测器“奔月”和“绕月”的过程中,由于轨道的变换和距离太阳的远近,防热结构不仅要承受几乎完全真空、没有大气层和地磁保护的宇宙空间里面的各种离子的辐照,还要承受极低的温度高低温度的循环交变,这就对7种防热材料的性能及其与承力结构的热结构匹配性、整体性提出了更高的要求,就好比让软硬不同的“装修材料”铺满整个房间,而且这些材料还不能因为冷热交替而变形、开裂,难度可想而知。经过不懈努力,科研团队攻克了侧壁、大底整体防热结构及7种不同防热材料匹配的难题,满足了月球采样返回防热材料轻质又防热的“苛刻”要求。

创新材料体系,无惧冰火交替

防热材料除了越轻越好,还需要拥有足够的强度。这就好比冬天穿羽绒服,除了希望羽绒服尽可能地轻,还希望羽绒服结实,不要风一吹、水一洗就破了。防热材料面对的是几千摄氏度的高温,在高温下更要保持一定的强度。
嫦娥五号返回器采用的是一个非常有特点的再入模式:半弹道跳跃式再入,形象点解释就是打水漂返回。这种方式怎么理解呢,嫦娥五号在进入返回轨道时,一开始是以第二宇宙速度,11.2千米/秒进入大气层,速度有多快?相当于从北京到上海不到100秒,材料温度会达到3000摄氏度;进入大气层后没多久,为了减速,她会向上跳跃回到太空,这个时候外部温度是零下120摄氏度;后又以第一宇宙速度7.8千米/秒进入大气层,这时候材料温度是1800摄氏度。打个比方,如果把返回器比喻成一口锅,那么上述过程就相当于这个锅先大火爆炒,然后放进冰块里,再从冰块里拿出来进行小火慢炖。因此,防热材料不仅要经历冷热交变,更要同时经受住大火爆炒和小火慢炖的双重考验,对最外层的防热材料提出非常高的高温烧蚀强度要求。这是我国首次遇到这类情况,而且时间紧迫。
为此,团队开展了集中攻关,清晨安排试验、上午调整参数、下午讨论分析、晚上总结优化,这一流程每天雷打不动。同时不断调研与搜集国内外前沿技术进展情况,不断完善设计思路。最终在很短的时间里,创新研制“碳”为主的材料体系,并顺利解决了烧蚀后退等问题,完成了被认为不可能完成的任务
嫦娥五号的防热材料拥有完全的自主知识产权,达到世界领先水平。之前国际上最好的防热材料是改进后的Avcoat5026是阿波罗飞船所用的防热材料,也是目前唯一经历载人登月返回特殊严酷热环境的防热材料。此材料仍为烧蚀型防热材料,密度在0.56/立方米左右。这种防热材料的制造工艺复杂、周期非常长,猎户座飞船大底的防热材料需要整整6个月才能完成制造。而嫦娥五号探测器的防热材料密度为0.5/立方米,成型周期是猎户座的1/25
我国空间探测完成了返回式卫星、载人神舟飞船、月球无人探测、火星探测等活动,后续还将开展小天体探测、载人登月探测、火星取样返回等探测计划,探测器或再入器的防热材料是关键技术之一,是关系探测成功与否的重要环节。科研团队成员表示:将进一步提高防热材料技术,为我国空间探测活动提供强有力的支撑。
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沙发 发表于: 2021-02-05  
为我国科研团队点赞!
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这篇是见刊稿件,大家可以阅读学习,感受科技的力量!
说点啥呢?
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地板 发表于: 2021-04-13  
抗热、轻型、燃料持久,是关键
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谢谢,别忘了来看看都是谁回帖哦?
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