7月23日長征五號遙四運載火箭成功發射，備受矚目的火星探測器“天問一號”被送入預定軌道。

這是我國首次火星探測任務，將在完全陌生的火星環境下，一次性實現火星環繞、著陸和巡視三大任務，對火星開展全球性、綜合性的環繞探測，並在火星表面開展區域巡視探測，這在世界航天史上也屬於首例。

天問一號是透過一個著陸巡視組合體來完成著陸和巡視兩項任務的。著陸巡視組合體包括進入艙和火星車兩部分，進入艙負責著陸，火星車負責科學探測。

奔向火星的過程中，最大的難點在於在再入、下降與著陸過程中，要將探測器的時速從兩萬多千米/小時降低至0。如何做好探測器的熱防護，關係著火星車能否安全到達火星表面開展相關工作，關係著“天問一號”探測任務的成敗。

墜入火星，探測器都經歷什麼

與月球不同，火星上也存在大氣層。雖然火星大氣比地球要稀薄一些，但在著陸器高速進入情況下，與大氣層的高速摩擦也會使著陸器表面溫度急劇升高，就如同一顆流星一樣，如果不進行有效的防護，就將燒燬在大氣層中。

別看火星上大氣密度只有地球的1%，但其大氣中二氧化碳佔95%，氮氣佔3%，與從地球軌道上返回的飛船相比，著陸火星的探測器在高熱狀態下會發生更加複雜的物理化學反應。人類探測火星起步於20世紀60年代，2020年之前共實施了44次火星探測任務，其中美國20次，蘇聯/俄羅斯20次，歐洲2次，日本1次，印度1次，任務形式包含掠飛、環繞、著陸及巡視探測。只有24次任務取得了成功或部分成功，成功率54。5％，可見火星探測器成功著陸的難度有多高。

為了安全地護衛“天問一號”成功著陸，中國航天科技集團有限公司一院703所根據探測器形狀、不同部位所承受的氣動載荷及熱流密度的不同，“量體裁衣”創新研製了三種材料，分別是超輕質的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料、連續纖維增強中密度防熱材料和超輕質大面積防熱塗層材料。

這三種材料協同作戰，在探測器著陸的時候，材料表面與火星大氣摩擦併發生複雜的物理化學反應，同時帶走大量的熱，同時材料內部還具有良好的保溫隔熱效能，雖然表面“熱浪滾滾”，裡面卻依舊“涼爽宜人”，有效保護探測器不被燒壞。

新型防護材料有哪些過人之處

火星距離地球較遠，為使運載火箭推送的更遠，天問一號探測器的重量不能過大，因此對探測器防熱結構的重量要求也達到了十分苛刻的程度，在如此嚴苛要求下又要完成熱防護使命，因此必須採用最最佳化設計，儘可能“榨乾”防熱材料的防熱效能和防熱效率。

“天問一號”探測器著陸過程中，受熱最嚴重的大底部分採用的是超輕質的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料。這種材料可以說是空間飛行器防熱的一員“老將”。“神舟”載人飛船、月地高速載入返回飛行器中，蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料都發揮了熱防護的關鍵作用。

蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料材料樣件

此次火星探測器上採用的是配方最佳化設計的新型超輕質蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料。跟它的“前輩”們相比，此材料強度更高、密度更低，並且可以根據承受的氣動載荷分佈對蜂窩格子進行變厚度最佳化設計，在保證探測器拐角部位能夠耐受更嚴苛的氣動載荷的情況下，使整個結構的材料重量更加輕質化。

探測器大底結構的直徑達到3。4m左右，共計約70000個蜂窩格子，團隊採用整體成型工藝，確保了在如此多的蜂窩格子中材料一次性灌注到位，不論是成型效率、成型質量還是成型可靠性都達到國際領先水平。整個探測器大底結構具有非常好的整體性，確保了其在奔向火星的過程中承受高低溫交變的結構穩定性。

探測器大底大面積使用超輕質的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料

除了大面積的低密度燒蝕防熱材料之外，探測器的其它部位還需要一些更具承載能力的防熱材料，為此，團隊還研製了連續纖維增強中密度防熱材料，既能滿足結構要求，又具備輕質特點。該材料主要用作探測器大底及背罩防熱結構的艙蓋、封邊環、埋件、螺塞等零部件，相比較低密度材料其強度更高，兼顧了耐燒蝕和承載能力。

而在受到熱流相對較低的背罩結構上，團隊採用的是超輕質的燒蝕防熱塗層材料。該材料基本熱物理效能達到國際先進水平，不僅隔熱效能優良，也對著陸器的減重起到重要作用。同時，還充分考慮發射場的環境影響和真空總質量損失等要求，持續最佳化材料，使其耐鹽霧、耐溼熱效能均透過試驗，真空總質量損失和可凝揮發份均滿足設計要求。

超輕質防熱塗層材料

三種材料協同作戰

這三種材料在結構、配方及工藝設計時，還需要考慮的一個重要因素就是它們之間的結構熱匹配性。探測器飛向火星的時間較長，由於軌道的變換和距離太陽的遠近，防熱材料在飛行過程中要承受極低的溫度以及高低溫度的迴圈交變，“冰火兩重天”很容易導致材料發生開裂、脫落等災難性問題。

在這樣的惡劣條件下，三種防熱材料和結構需要與著陸器的內部結構保持良好的結構熱匹配性和完整性。團隊透過工程計算、數值模擬及必要的地面試驗等方法，設計模擬三種材料在極低溫、高低溫交變的空間環境下的結構變化及燒蝕匹配性，再根據實驗結果進行最佳化設計，最終確保這三種材料的匹配性和完整性，使它們能夠在茫茫太空中“協同作戰”，為探測器安全抵達、順利著陸保駕護航。

文/王春明 梁馨 方洲 李翔 範海波

圖/航天科技集團一院703所

原標題：《探火新材料，表面“熱浪滾滾”，裡面“涼爽宜人”》