“天问一号”成功发射背后:离不开这5大新材料!

时间2021-05-18


5月15日,我国首次火星探测任务天问一号探测器在火星乌托邦平原南部预选着陆区着陆,在火星上首次留下中国印迹,迈出了我国星际探测征程的重要一步。



火星的环境是出了名的恶劣,那么,在“天问一号”探测器成功发射的背后,有哪些新材料扮演了重要角色?


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01 超轻质蜂窝增强烧蚀防热材料:密度更低防热效率更高


蜂窝增强轻质烧蚀防热材料是空间飞行器防热的一员“老将”。“神舟”号载人飞船、月地高速再入返回飞行器、“嫦娥五号”月球探测器中,蜂窝增强轻质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烧蚀防热材料。


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▲超轻质蜂窝增强烧蚀防热材料


与“前辈”相比,此材料密度更低、防热效率更高,并且可以根据承受的气动载荷分布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,让整个结构的材料更加轻质化。同时,探测器大底结构具有非常好的整体性,确保在奔向火星过程中,即使承受高低温交变,也能保证结构的可靠性。

该材料密度约为0.36克/立方厘米,每平方米可承受1.5兆瓦的热流环境,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3.4米左右,包括约70000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。


02 连续纤维增强中密度防热材料:兼顾耐烧蚀和承载能力


由于火星距离地球较远,为使运载火箭推送得更远,“天问一号”不能过重,需要尽可能“压榨”防热结构及材料重量。除了超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料,团队还研制了连续纤维增强中密度防热结构一体化材料,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,密度约为0.9克/立方厘米,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,实现了对传统连续纤维增强烧蚀防热材料的轻质化。


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03 超轻质烧蚀防热涂层材料:隔热性能优良


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,因此,二者在防热上要求不同。对此,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0.28克/立方厘米左右,热导率低至约0.06瓦每米开,不仅隔热性能优良,也能给着陆器减重。


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▲超轻质烧蚀防热涂层材料


此外,探测器飞向火星的时间长达8个月,由于轨道以及距离太阳远近的变化,防热材料还要承受极低的温度以及高低温度循环交变,“冰火两重天”很容易导致材料出现开裂、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。

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,最终确保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。


04 新型SiC增强铝基复合材料:重量轻、强度高、刚性好、宽温度范围


据了解,从“天问一号”探火到“北斗三号”导航,都用了一种特殊材料,新型SiC增强铝基复合材。


为了满足“北斗”卫星对某关键机构材料的高强、高模、高导热及尺寸稳定等综合性能的特殊要求,金属基复合材料国家重点实验室张荻、欧阳求保教授团队在已有研发出的高性能SiC增强铝基复合材料基础上,优化了结构材料结构的轻量化,还为机构的高精度以及系统的稳定运行提供了保障。


据悉,“天问一号”火星探测器上也成功应用这种对某关键机构的材料需求,共交付30余件。新型的SiC增强铝基复合材料构件重量轻、强度高、刚性好、宽温度范围下尺寸稳定,助力“天问一号”开展火星探测。


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05 基于形状记忆聚合物智能复合材料


作为我国首次火星探测任务,“天问一号”探测器将通过一次发射任务,实现对火星的“环绕、着陆、巡视”三个目标。要承担火星巡视探测重任,完成为期90天的巡视探索任务,最重要的就是能源供应,它关系到火星车的“生死存亡”。


为此,“天问一号”探测器搭载了“基于形状记忆聚合物智能复合材料结构的可展开柔性太阳能电池系统”。该系统主要包括哈尔滨工业大学研制的形状记忆复合材料锁紧释放机构、形状记忆聚合物复合材料可展开梁和上海空间电源研究所研制的柔性太阳能薄膜电池。该系统基于复合材料力学理论、结构精细化设计和形状记忆聚合物复合材料结构,可以实现柔性太阳能电池的锁紧、释放和展开,以及展开后高刚度可承载等功能。