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“天问一号”背后的各种隔热材料

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2020/8/3     浏览次数:    

“日月安属?列星安陈?”这是战国时期诗人屈原在《天问》中的诗句。7月23日12时41分,承担我国首次火星探测任务的“天问一号”探测器在海南文昌航天发射场成功发射,开启了瑰丽壮美的火星之旅,继续探求屈原在2300年前的发问。这不仅是我国首次完全自主实施的火星探测任务,还是我国深空领域里一个全新的里程碑。那么,在“天问一号”探测器成功发射的背后,有哪些化工新材料扮演了重要角色?

 

保驾护航的披风:防热复合材料

航天材料及工艺研究所根据探测器形状、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3种防热复合材料。他们为火星探测器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。

蜂窝增强低密度烧蚀防热材料是空间探测器常用材料。此次火星探测器上采用的是新型超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料。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优化设计,在保证探测器能够耐受更严苛气动载荷的情况下,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。

“天问一号”探测器的质量不能过大,就意味着防热结构及材料的质量需要尽可能压缩。这里是连续纤维增强中密度防热材料的用武之地。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,比低密度材料强度更高,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。

与探测器大底直面火星大气不同,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的超低密度防热涂层材料,基本热物理性能达到国际先进水平。这种材料不仅隔热性能优良,对着陆器的减重也起到了重要作用。

上述材料之间的结构热匹配性也要重点考虑。3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,研究人员分析这3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,保障了3种材料匹配性和完整性,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。

隔热材料的生产得到了化工企业的直接支持。据河南能源化工集团濮阳绿宇新材张建勋介绍,在配合中国首台火星车的研制过程中,绿宇新材按照项目要求的材料更轻、性能更稳等具体指标,加强研制攻关,强化生产工艺管控,提高品控检测频率,使产品质量严格控制在6~7千克/立方米,较常规产品减重30%。材料吸声性、隔热性、孔隙率等指标全部优于指定标准,性能的可靠性、应用支持的专业性,获得了合作方南航超级绝热材料实验室、航天装备承制等单位的认可,为合作方进一步改性产品,降低材料的热膨胀系数,提高宽温度区间的尺寸稳定性提供保障。

 

乘风破浪的帮手:能源动力系统

要飞向火星,拥有突破第二宇宙速度的动力是脱离地球引力的前提。此次搭载“天问一号”探测器是长征五号遥四运载火箭,它拥有着强大动力和惊人速度。此次航天科技集团六院为长征五号遥四运载火箭研制生产了4型共计30台套发动机,包括8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机、2台9吨级膨胀循环发动机以及18台作为辅助动力的姿控发动机。

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,“天问一号”探测器除了要携带多种精密探测仪器外,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。

 

随机应变的保护层:有机热控涂层

“天问一号”探测器在进入轨道后,处于地球大气层以外的超高真空空间环境,朝向太阳的表面温度非常热,背向太阳的表面则非常冷,导致航天器上的温差极大。因此,为了保证“天问一号”探测器能够在极端环境下保持正常工作,我国采用了多种超尖端制造新技术和高科技材料,使其能够更好地适应太空的复杂环境。

如果航天器表面温度超过合适的使用范围,航天器搭载的仪器设备便容易损坏,或者直接停止工作,所以为了保证仪器设备表面温度处于正常工作状态,需要对航天器进行热控制。也就是说需要一个可以随机应变的保护层为航天器的正常工作进行保护。

一般情况下,研究人员通过在航天器外表面使用不同太阳吸收率和热辐射率的涂层来调节其热平衡温度,以保证其在合适的使用温度内工作。由中科院上海有机所研制生产的有机热控涂层就是在航天器以及仪器的表面,通过调控温度达到热控需求的材料。

这种涂层自我国第一颗人造卫星“东方红一号”诞生以来便应运而生,通过几十年的发展,已经研制出几十种不同用途的有机热控涂层。嫦娥系列卫星也已经使用上海有机所研制生产的有机热控涂层来为航天器的正常工作温度环境保驾护航。

除了在航天器的表面进行有机热控涂层处理,对于航天器内部的各种精密仪器也需要进行热控处理,超薄超宽纯镍箔是一种内部精密仪器热控处理的高科技材料。目前,航天器内部使用的热控处理材料主要为国外采购,安徽迈德福新材料有限责任公司可采用电沉积法生产超薄(5μm)超宽(1330mm)高纯度(99.98%)纯镍箔。与国外采购的热控材料相比,我司生产的产品质量已达到并超过国外同类水平。

中科院上海硅酸盐研究所也承担了耐高温多层隔热材料、导电型低吸辐比柔性薄膜二次表面镜、防静电低吸辐比柔性薄膜二次表面镜等材料的研制工作。

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