什麼樣的外衣讓“嫦娥”比鑽石還剛

嫦娥五號返回地球時，進入大氣層後高速摩擦將使探測器表面温度高達3000℃以上，而這樣的温度下幾乎連金剛石都會熔化，那麼——

嫦娥五號任務是我國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰，如果把整個任務比作一場接力跑，那麼嫦娥五號返回地球就是最後的一棒。

據介紹，此次嫦娥五號返回器回到地球，是以第二宇宙速度——11.2公里/秒進入大氣層，高速摩擦將在探測器表面產生3000℃以上的高温。如果高温被傳導到返回器內部，將對攜帶的月球“土特產”產生影響。為此，科學家們設計了一系列措施保證嫦娥五號返回器平安回家。

因各部位防熱需求不同而穿“拼接款”

我們所熟知的流星，就是太空中的塵埃和固體塊等物質由於地球引力進入大氣層，與大氣高速摩擦燃燒所產生的天文現象。在這個過程中，大部分物質都被燒燬了，極少有物質能夠到達地面形成隕石。

航天器在飛行過程中也會與大氣層發生劇烈摩擦，從而在航天器表面產生超高温，如果不使用防熱材料，在高温作用下，航天器表面材料很快就會出現變形、熔化和消失的現象（也稱燒蝕後退），最後像流星一樣消失在天際。

防熱材料，顧名思義，作用就是防止產品內部的結構被外界的高温所熔化，航天器的防熱材料需要在耐高温的同時發揮其結構承載性能，是航天器的“骨骼”。

據介紹，由於航天器不同的部位對防熱材料的需求不同，需要選擇不同耐熱温度的材料。比如，環氧樹脂基複合材料可耐受120℃左右的温度，使用範圍比較廣泛，可以應用於火箭整流罩、衞星結構件等；雙馬樹脂基複合材料可以耐受200℃以上的温度，主要應用於火箭防熱底板、儀器艙艙段等；而聚酰亞胺基複合材料則可耐受500℃左右的高温，可應用於火箭及航天器的耐高温部件。

對於高速穿越大氣層的航天器來説，輕裝上陣能飛得更遠，例如火箭末級每減輕1千克重量，就能增加1千克的有效載荷，或是增加15千米左右的射程。中國運載火箭技術研究院航天材料及工藝研究所專項主任工程師梁馨説，降低材料密度本身並不很難，但要讓材料的密度低，同時又能耐高温、強隔熱，難度就非常大了。

為減輕航天器載重負擔，科研人員要確保嫦娥五號返回器防熱材料每1克重量都用在刀刃上，最終他們根據各部位受熱情況的不同，在大底迎風面、大底背風面、大底拐彎角環、側壁迎風面、側壁背風面、側壁艙蓋與邊緣防熱環、穩定翼七大部位分別應用了7種不同成分的防熱燒蝕材料。

比如，氣動加熱最嚴重的大底結構，採用的是新型輕質低密度燒蝕防熱材料，其密度約為每立方厘米0.5克，每平方米可承受6兆瓦（MW）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，密度約為每立方厘米0.36克，每平方米可承受1.5MW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。

防熱外衣要扛住“大火爆炒”和“小火慢燉”

此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，形象地説就是打水漂式返回。讓返回器先高速進入大氣層，隨後藉助大氣層提供的升力“跳”起來，再以第一宇宙速度重新進入大氣層返回地面。

具體來説，在進入返回軌道時，返回器一開始是以第二宇宙速度，即每秒11.2公里的速度進入大氣層，以這個速度從北京到上海耗時不到100秒。當以第二宇宙速度移動時，材料温度將達到3000℃以上。

進入大氣層後沒多久，為了減速，返回器會向上跳躍回到太空，這時外部温度是-120℃。接着又以每秒7.8公里的第一宇宙速度進入大氣層，這時材料表面温度約為1800℃。

打個比喻，如果把返回器比喻成一口鍋，那麼上述過程相當於鍋先經大火爆炒，然後被放進冰塊裏，再被從冰塊裏拿出來經歷小火慢燉。因此，這次的防熱材料不但要經歷冷熱交變，更要同時經受“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極高的高温燒蝕強度要求。

“我國對空間探測防熱材料的研究是從上世紀80年代開始的，但這麼複雜的情況在我國的空間探測活動中屬於首次。”梁馨説，為此，團隊開展了集中攻關，最終創新性地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。

據瞭解，之前國際上最好的防熱材料是改進後的Avcoat5026，這是阿波羅飛船所用的防熱材料，也是此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密度為每立方厘米0.56克左右，能夠在熱流作用下發生分解、熔化等變化，借質量消耗帶走大量的熱，以達到阻止再入大氣層時的熱流傳入飛行器內部的目的。

但是這種防熱材料的製造工藝複雜、週期非常長，以獵户座飛船大底為例，其防熱材料需要整整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每立方厘米0.5克，成型週期是獵户座飛船大底的1/25。