“日月安屬?列星安陳?”這是戰(zhàn)國(guó)時(shí)期詩(shī)人屈原在《天問(wèn)》中的詩(shī)句。7月23日12時(shí)41分，承擔(dān)我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射，開(kāi)啟了瑰麗壯美的火星之旅，繼續(xù)探求屈原在2300年前的發(fā)問(wèn)。這不僅是我國(guó)首次完全自主實(shí)施的火星探測(cè)任務(wù)，還是我國(guó)深空領(lǐng)域里一個(gè)全新的里程碑。那么，在“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器成功發(fā)射的背后，有哪些化工新材料扮演了重要角色?
保駕護(hù)航的披風(fēng)：防熱復(fù)合材料
航天材料及工藝研究所根據(jù)探測(cè)器形狀、不同部位所承受的氣動(dòng)載荷及熱流密度的不同，“量體裁衣”研制了3種防熱復(fù)合材料。他們?yōu)榛鹦翘綔y(cè)器在氣動(dòng)加熱最嚴(yán)重的大底結(jié)構(gòu)及大底拐角部位采用了超輕質(zhì)的蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料;在需要維持探測(cè)器整體形狀的上下邊緣和結(jié)構(gòu)支撐部位采用了連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱材料;在氣動(dòng)加熱較為緩和的背罩部位采用了防熱涂層材料。
蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料是空間探測(cè)器常用材料。此次火星探測(cè)器上采用的是新型超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)低密度燒蝕防熱材料。此材料強(qiáng)度更高、密度更低，可以根據(jù)氣動(dòng)載荷分布對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證探測(cè)器能夠耐受更嚴(yán)苛氣動(dòng)載荷的情況下，實(shí)現(xiàn)更加輕質(zhì)化。一體化成型技術(shù)使整個(gè)探測(cè)器大底結(jié)構(gòu)具有非常好的整體性，確保了其在奔向火星的過(guò)程中承受高低溫交變的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器的質(zhì)量不能過(guò)大，就意味著防熱結(jié)構(gòu)及材料的質(zhì)量需要盡可能壓縮。這里是連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱材料的用武之地。該材料主要用作探測(cè)器大底及背罩防熱結(jié)構(gòu)的艙蓋、封邊環(huán)、埋件、螺塞等零部件，比低密度材料強(qiáng)度更高，兼顧了耐燒蝕和承載能力。該材料使用了三元長(zhǎng)纖維組成的SPQ纖維布增強(qiáng)體系，并將輕質(zhì)填料引入到連續(xù)纖維增強(qiáng)的預(yù)浸料中，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)纖維增強(qiáng)燒蝕防熱材料的輕質(zhì)化。
與探測(cè)器大底直面火星大氣不同，背罩結(jié)構(gòu)在著陸器側(cè)面，受到的熱流相對(duì)更低。航天材料及工藝研究所研制的超低密度防熱涂層材料，基本熱物理性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這種材料不僅隔熱性能優(yōu)良，對(duì)著陸器的減重也起到了重要作用。
上述材料之間的結(jié)構(gòu)熱匹配性也要重點(diǎn)考慮。3種防熱材料需要與探測(cè)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持良好的結(jié)構(gòu)熱匹配性和完整性。通過(guò)工程計(jì)算、數(shù)值模擬及必要的地面試驗(yàn)，研究人員分析這3種材料在極低溫及高低溫交變的空間環(huán)境下的結(jié)構(gòu)變化情況，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化修正，保障了3種材料匹配性和完整性，使它們能夠在茫茫太空中“協(xié)同作戰(zhàn)”，為探測(cè)器安全抵達(dá)、順利著陸保駕護(hù)航。
隔熱材料的生產(chǎn)得到了化工企業(yè)的直接支持。據(jù)河南能源化工集團(tuán)濮陽(yáng)綠宇新材張建勛介紹，在配合中國(guó)首臺(tái)火星車的研制過(guò)程中，綠宇新材按照項(xiàng)目要求的材料更輕、性能更穩(wěn)等具體指標(biāo)，加強(qiáng)研制攻關(guān)，強(qiáng)化生產(chǎn)工藝管控，提高品控檢測(cè)頻率，使產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)格控制在6~7千克/立方米，較常規(guī)產(chǎn)品減重30%。材料吸聲性、隔熱性、孔隙率等指標(biāo)全部?jī)?yōu)于指定標(biāo)準(zhǔn)，性能的可靠性、應(yīng)用支持的專業(yè)性，獲得了合作方南航超級(jí)絕熱材料實(shí)驗(yàn)室、航天裝備承制等單位的認(rèn)可，為合作方進(jìn)一步改性產(chǎn)品，降低材料的熱膨脹系數(shù)，提高寬溫度區(qū)間的尺寸穩(wěn)定性提供保障。
乘風(fēng)破浪的幫手：能源動(dòng)力系統(tǒng)
要飛向火星，擁有突破第二宇宙速度的動(dòng)力是脫離地球引力的前提。此次搭載“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器是長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭，它擁有著強(qiáng)大動(dòng)力和驚人速度。此次航天科技集團(tuán)六院為長(zhǎng)征五號(hào)遙四運(yùn)載火箭研制生產(chǎn)了4型共計(jì)30臺(tái)套發(fā)動(dòng)機(jī)，包括8臺(tái)120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、2臺(tái)50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)、2臺(tái)9噸級(jí)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)以及18臺(tái)作為輔助動(dòng)力的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。
作為我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器將通過(guò)一次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的“環(huán)繞、著陸、巡視”三個(gè)目標(biāo)。要承擔(dān)火星巡視探測(cè)重任，完成為期90天的巡視探索任務(wù)，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器除了要攜帶多種精密探測(cè)儀器外，最重要的就是能源供應(yīng)，它關(guān)系到火星車的“生死存亡”。
為此，“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器搭載了“基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可展開(kāi)柔性太陽(yáng)能電池系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的形狀記憶復(fù)合材料鎖緊釋放機(jī)構(gòu)、形狀記憶聚合物復(fù)合材料可展開(kāi)梁和上?？臻g電源研究所研制的柔性太陽(yáng)能薄膜電池。該系統(tǒng)基于復(fù)合材料力學(xué)理論、結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)和形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)柔性太陽(yáng)能電池的鎖緊、釋放和展開(kāi)，以及展開(kāi)后高剛度可承載等功能。
隨機(jī)應(yīng)變的保護(hù)層：有機(jī)熱控涂層
“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在進(jìn)入軌道后，處于地球大氣層以外的超高真空空間環(huán)境，朝向太陽(yáng)的表面溫度非常熱，背向太陽(yáng)的表面則非常冷，導(dǎo)致航天器上的溫差極大。因此，為了保證“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器能夠在極端環(huán)境下保持正常工作，我國(guó)采用了多種超尖端制造新技術(shù)和高科技材料，使其能夠更好地適應(yīng)太空的復(fù)雜環(huán)境。
如果航天器表面溫度超過(guò)合適的使用范圍，航天器搭載的儀器設(shè)備便容易損壞，或者直接停止工作，所以為了保證儀器設(shè)備表面溫度處于正常工作狀態(tài)，需要對(duì)航天器進(jìn)行熱控制。也就是說(shuō)需要一個(gè)可以隨機(jī)應(yīng)變的保護(hù)層為航天器的正常工作進(jìn)行保護(hù)。
一般情況下，研究人員通過(guò)在航天器外表面使用不同太陽(yáng)吸收率和熱輻射率的涂層來(lái)調(diào)節(jié)其熱平衡溫度，以保證其在合適的使用溫度內(nèi)工作。由中科院上海有機(jī)所研制生產(chǎn)的有機(jī)熱控涂層就是在航天器以及儀器的表面，通過(guò)調(diào)控溫度達(dá)到熱控需求的材料。
這種涂層自我國(guó)第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號(hào)”誕生以來(lái)便應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)研制出幾十種不同用途的有機(jī)熱控涂層。嫦娥系列衛(wèi)星也已經(jīng)使用上海有機(jī)所研制生產(chǎn)的有機(jī)熱控涂層來(lái)為航天器的正常工作溫度環(huán)境保駕護(hù)航。
中科院上海硅酸鹽研究所也承擔(dān)了耐高溫多層隔熱材料、導(dǎo)電型低吸輻比柔性薄膜二次表面鏡、防靜電低吸輻比柔性薄膜二次表面鏡等材料的研制工作。
