人類(lèi)向往藍天白云,夢(mèng)想飛得更高更遠。然而,要讓飛船在遙遠的宇宙中行走,并最終平安返回地球,材料的挑戰是巨大的。極端的高溫、劇烈的氣動(dòng)加熱、猛烈的空氣摩擦,無(wú)不對飛船的結構和材料提出了苛刻的考驗。材料能否經(jīng)受住如此殘酷的環(huán)境,直接關(guān)系到航天器和宇航員的生命安全。

在這場(chǎng)航天材料的競賽中,中國獨樹(shù)一幟,創(chuàng )新出多種防護性能卓越的新材料,引領(lǐng)了航天材料的新潮流。

返回器精彩沖刺

嫦娥六號就像個(gè)太空旅行者，帶著(zhù)月球的塵土在太空漫游了14天之后，現在正一路飛奔回地球。

這返回器啊，得經(jīng)歷一番火烤，表面溫度能飆到3000度，簡(jiǎn)直比烤箱還猛。但它聰明著(zhù)呢，采用“打水漂”技巧，先是減速到7公里/秒，然后再彈回空中，接著(zhù)又一頭扎進(jìn)高溫里，穿越那所謂的“黑障區”。

整個(gè)過(guò)程就像守護神一樣，確保那些寶貴的月壤安全無(wú)恙。大約半小時(shí)后，返回艙就會(huì )準時(shí)降落在內蒙古的四子王旗，真是比快遞還準時(shí)。

說(shuō)到亮度嘛，現在它像16等星那么亮，但等到明天，因為摩擦生熱，可能會(huì )亮到10等星左右。那時(shí)候，美國北方的朋友們就能用肉眼看到它在天上劃過(guò)的軌跡，想想也挺激動(dòng)人心的。

返回器外面包裹著(zhù)那種超牛的輕質(zhì)C-Si-O蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料。這玩意兒可是咱們獨創(chuàng )的，連美國都眼紅得不行。雖然飛船回來(lái)的時(shí)候外表可能被燒得跟炭似的，但里頭可是安全得很，月壤樣本新鮮度一點(diǎn)不受影響。

嫦娥六號返回時(shí)“變焦”，為何升空時(shí)無(wú)礙？

近日嫦娥六號返回地球！實(shí)現世界首次月球背面采樣返回！圓滿(mǎn)完成任務(wù)的它載譽(yù)歸來(lái)，一片祝賀聲中，網(wǎng)友的關(guān)注點(diǎn)卻逐漸跑偏。很明顯能看到，返回器表面的“黑黑的、焦焦的”，網(wǎng)友直言看起來(lái)很香的樣子。

為何歸來(lái)的時(shí)候總是黑乎乎的，升空的時(shí)候卻沒(méi)有什么燒灼痕跡？難道是我國的航天防火、隔熱技術(shù)還不夠成熟嗎？答案很明顯，肯定不是。

那么就要從嫦娥六號返回的過(guò)程講起了，“變焦”正是在返回途中造成的。要知道在天空中嫦娥六號的運行速度是非常之快的，因此直挺挺的降落是幾乎不可能的事情。

因此，嫦娥六號的返回方式采用的是跳躍式方式再入返回，也被網(wǎng)友戲稱(chēng)為“打水漂式”返回。整個(gè)過(guò)程分為五段，滑行段、初次再入段、自由飛行段、二次再入段、著(zhù)陸段。在嫦娥六號距離地球5000公里的時(shí)候，軌道器和返回器就開(kāi)始分離。返回器分離后，開(kāi)始第一步單艙滑行，意味著(zhù)正式和太空說(shuō)再見(jiàn)了。

當返回器滑行到120千米的高空時(shí)，返回器先以-6度的小角度進(jìn)入大氣層，速度接近第二宇宙速度，每秒高達10.9公里！

這是什么概念？高速運行的返回器與空氣進(jìn)行摩擦，所產(chǎn)生的高溫可達2000多度。那么高溫烤制的結果是什么，燃燒起來(lái)也就是我們看到的表面燒焦了。上兩千度的高溫，足夠將物體瞬間化為灰燼，但是，大家完全不用擔心里面，因為里面毫發(fā)無(wú)傷。不是沒(méi)有防熱材料，而正是防熱材料抵抗高溫最有力的證明。

嫦娥六號燒蝕材料有多先進(jìn)？

吶，就是這個(gè)，由中國運載火箭技術(shù)研究院航天材料及工藝研究所研發(fā)的蜂窩材料。

本次嫦娥六號返回器大面積防熱結構使用的輕質(zhì)蜂窩增強防熱材料采用創(chuàng )新的材料設計方法，解決了輕質(zhì)材料與長(cháng)時(shí)復雜氣動(dòng)加熱的矛盾，優(yōu)異的燒蝕性能使得返回器氣動(dòng)外形保持良好，為按照精準設計軌道返回提供了保障，同時(shí)為保護內部的月壤成功返回地面起到?jīng)Q定性作用。

這種材料的優(yōu)勢在于重量輕、強度高，并且具有優(yōu)異的隔熱性能，像是給返回器穿上了一件防熱服。比如，它在高溫的過(guò)程中會(huì )發(fā)生分解、抗化、升華一系列的吸熱反應，從而帶走大量的熱量，保護內部結構。

這么說(shuō)吧，在2000度以上的超高溫環(huán)境下工作，能夠在530秒的工作時(shí)間內將艙內溫度保持在30度以下。相比之前，美國的阿波羅飛船，乃至現在的獵戶(hù)座飛船，用的熱防護材料都是一種叫做AVCOAT的東西。

這是一種以環(huán)氧改性酚醛為基底、填充石英纖維的燒蝕材料。

它能夠在再入地球大氣層時(shí)，通過(guò)燒蝕，也就是材料表面逐漸分解和蒸發(fā)，來(lái)吸收和帶走大量的熱量，從而有效地保護返回艙內部的設備和宇航員。然而，這種材料的制造十分復雜，而且還都是純手工打造。據悉，需要人工將數十萬(wàn)個(gè)蜂窩孔一個(gè)個(gè)灌注，這個(gè)過(guò)程耗時(shí)耗力，全部加注成型，周期往往長(cháng)達六個(gè)月，而且效率也較低，成本也高。

而中國的蜂窩材料，則先進(jìn)多了。

其采用熱壓罐一次成型技術(shù)，大大縮短了制造周期，據說(shuō)僅需8小時(shí)就能完成。相比于美國的手工灌注，這種方式不僅效率更高，生產(chǎn)速度也更快。更重要的，中國的蜂窩材料重量比美國的更輕，性能更優(yōu)異。

材料越輕，帶來(lái)的好處可多了。

不僅提高了返回艙的隔熱效果，還減少了飛行器的總重量，從而提高了燃料效率和飛行性能。值得一提，除了返回器大面積防熱結構使用的輕質(zhì)蜂窩增強防熱材料外，科研人員經(jīng)過(guò)多輪篩選又研制出連續纖維增強的SPQ材料、聚酰亞胺透波天線(xiàn)、熱控涂層等多種材料。從而提供了多種功能與結構的材料解決方案，最終為嫦娥六號提供全方位的保駕護航。

這么看來(lái)，一個(gè)是“手工仙人”，一個(gè)是工業(yè)超級大國，誰(shuí)更先進(jìn)一目了然。

相比嫦娥五號的性能優(yōu)化

嫦娥六號返回器大面積使用的防熱材料與嫦娥五號上應用的材料具有一定的繼承性，在其基礎上進(jìn)行了多項優(yōu)化:

01

針對嫦娥六號任務(wù)更久時(shí)間存貯和更長(cháng)時(shí)間在軌的特殊性進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步降低防熱材料在空間環(huán)境下的小分子揮發(fā)，大幅提升其熱真空性能，適應更長(cháng)期在軌的需求。

02

對材料、結構的穩定性以及在真實(shí)氣動(dòng)加熱軌道下的熱防護性能進(jìn)行了綜合評價(jià)，為嫦娥六號的成功返回做了充足的科學(xué)研究與驗證工作。

03

保證任務(wù)成功不僅要控制防熱材料的密度及其均勻性，還要控制各防熱結構的重量配比和分布，以保證返回器的質(zhì)心位置，減少配重，增加飛行任務(wù)的有效載荷，研制人員在不同防熱結構重量分布控制和相互匹配方面做了大量工作，進(jìn)行了充分的試驗驗證，保證產(chǎn)品精益求精。

除返回器大面積防熱結構使用的輕質(zhì)蜂窩增強防熱材料外，火箭院航天材料及工藝研究所研制的連續纖維增強的SPQ材料、聚酷亞胺透波天線(xiàn)、熱控涂層等多種材料，提供了多種功能與結構的材料解決方案，為嫦娥六號全方位保駕護航。