指標強過阿波羅、獵户座！嫦娥五號防熱材料水平世界領先_風聞

來源：中國複合材料學會

12月17日，嫦娥五號返回器帶着月壤成功返回地球，時隔44年，人類再次從月球帶回了岩石和土壤樣本，我國成為繼美國、蘇聯之後，第三個實現月球採樣返回的國家。

此次嫦娥五號探測器返回地球，是以第二宇宙速度 11.2km/s進入大氣層，如此高速的摩擦將在探測器表面產生3000℃的高温，其熱流超過了我國以往任何一個再入返回的型號。針對於此，航天科技集團一院703所研製團隊為其量身打造了新型防熱外衣，有效保證了嫦娥五號的順利返回。

防熱外衣要輕

由於嫦娥五號要一次性實現“繞-落-回”，為了降低載重，最大化試驗效率，讓“五姑娘”輕裝上陣、安心挖土，防熱材料也要相應減重。只不過這一次，研製團隊對“輕”的要求幾乎達到了苛刻的程度。■ 嫦娥五號月球採樣返回任務過程示意圖（中國航天報 製圖）

其實，一味降低材料密度本身並不是很難，但要讓材料的密度低，同時又要耐高温、強隔熱，難度就非常大了。團隊成員死摳整個返回器防熱材料的重量，確保每一克重量都用在刀刃上，最終在不同部位按照受熱情況的不同，採用了7種防熱材料。

例如：在氣動加熱最嚴重的大底結構採用的是新型的輕質C-Si-O蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料，其密度約為0.5g/cm3，可承受6MW/m2的熱流環境；拐角採用連續纖維增強中低密度結構材料；側壁結構採用的是超輕質的蜂窩增強防熱材料；密度約為0.36g/cm3，可承受1.5MW/m2的熱流環境……這7種材料相互配合，和諧相處，防熱減重兩不誤。■ 其中一種防熱材料（真的不是餅乾）

但是，在探測器“奔月”和“繞月”的過程中，由於軌道的變換和距離太陽的遠近，防熱結構不僅要承受幾乎完全真空、沒有大氣層和地磁保護的宇宙空間裏各種離子的輻照，還要承受極低的温度以及高低温度的循環交變，這就對7種防熱材料的性能及其與承力結構的熱結構匹配性、整體性提出了更高的要求。就好比讓軟硬不同的裝修材料鋪滿整個房間，而且這些材料還不能因為冷熱交替變形、開裂，難度可想而知。

經過703所科研團隊的不懈努力，攻克了側壁、大底整體防熱結構及7種不同防熱材料匹配的難題，滿足了月球採樣返回防熱材料輕質又防熱的苛刻要求。

防熱外衣要強

防熱材料除了越輕越好，還需要擁有足夠的強度。這就好比大家冬天穿羽絨服，除了希望羽絨服儘可能輕，不要穿在身上感覺沉甸甸之外，還希望羽絨服儘可能結實，不要風一吹、水一洗就破了。特別是防熱材料面對的是幾千攝氏度的高温，在高温下還要保持一定的強度。

這次，嫦娥五號返回器採用的是一個非常有特點的再入模式：半彈道跳躍式再入，形象點説就是打水漂返回。

這種方式怎麼理解呢？嫦娥五號在進入返回軌道時，一開始是以第二宇宙速度，11.2km/s進入大氣層。整個速度有多快？相當於從北京到上海只用了不到100秒。這時候，材料温度會達到3000℃。

進入大氣層後沒多久，為了減速，嫦娥五號會向上跳躍回到太空，這個時候外部温度是-120℃。

接着，嫦娥五號又以第一宇宙速度7.8km/s進入大氣層，這時候的材料温度是1800℃。■ 嫦娥五號返回示意圖

打個比喻，如果把返回器比喻成一口鍋，那麼上述過程就相當於這個鍋先大火爆炒，然後放進冰塊裏，再從冰塊裏拿出來小火慢燉。因此，這次的防熱材料不僅要經歷冷熱交變，更要同時經受住“大火爆炒”和“小火慢燉”的雙重考驗，對最外層的防熱材料提出了非常高的高温燒蝕強度要求。■ 返回後的嫦娥五號經歷了高温燒蝕（李淑姮 攝）

這是我國首次遇到這類情況，而且時間緊迫。為此，團隊開展了集中攻關：清晨安排試驗、上午調整參數、下午討論分析、晚上總結優化，每天雷打不動。同時，團隊還不斷調研與收集國內外前沿進展，不斷完善設計思路。

最終，在很短的研製時間裏，團隊創新研製了以“碳”為主的材料體系，並順利解決了燒蝕後退等問題，完成了原本認為不可能完成的任務。

嫦娥五號的防熱材料擁有完全的自主知識產權，達到了世界領先水平。之前國際上最好的防熱材料是改進後的Avcoat5026。Avcoat5026是阿波羅飛船所用的防熱材料，也是目前唯一經歷載人登月返回特殊嚴酷熱環境的防熱材料。改進後的Avcoat5026仍為燒蝕型防熱材料，密度在0.56g/cm⊃3;左右。這種防熱材料的製造工藝複雜、週期非常長，獵户座飛船大底的防熱材料需要整整6個月才能完成製造。而嫦娥五號探測器的防熱材料密度為0.5g/cm⊃3;，成型週期是獵户座的1/25。

我國空間探測經歷了返回式衞星、載人神舟飛船、月球無人探測、火星探測等活動，後續還將開展小天體探測、載人登月探測、火星取樣返回等探測計劃，探測器或再入器的防熱材料是關鍵技術之一，是關係探測成功與否的重要環節。後續，703所仍會再接再厲，發展防熱材料技術，為我國空間探測活動提供技術支撐。