航天材料及工藝研究所根據(jù)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”研制了3種防熱復(fù)合材料。他們?yōu)榛鹦翘綔y器在氣動加熱最嚴(yán)重的大底結(jié)構(gòu)及大底拐角部位采用了超輕質(zhì)的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料;在需要維持探測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)纖維增強中密度防熱材料;在氣動加熱較為緩和的背罩部位采用了防熱涂層材料。

蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料是空間探測器常用材料。此次火星探測器上采用的是新型超輕質(zhì)蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料。此材料強度更高、密度更低,可以根據(jù)氣動載荷分布對其進行優(yōu)化設(shè)計,在保證探測器能夠耐受更嚴(yán)苛氣動載荷的情況下,實現(xiàn)更加輕質(zhì)化。一體化成型技術(shù)使整個探測器大底結(jié)構(gòu)具有非常好的整體性,確保了其在奔向火星的過程中承受高低溫交變的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

“天問一號”探測器的質(zhì)量不能過大,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)纖維增強中密度防熱材料的用武之地。該材料主要用作探測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,比低密度材料強度更高,兼顧了耐燒蝕和承載能力。該材料使用了三元長纖維組成的SPQ纖維布增強體系,并將輕質(zhì)填料引入到連續(xù)纖維增強的預(yù)浸料中,實現(xiàn)了連續(xù)纖維增強燒蝕防熱材料的輕質(zhì)化。

與探測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,基本熱物理性能達到國際先進水平。這種材料不僅隔熱性能優(yōu)良,對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)熱匹配性也要重點考慮。3種防熱材料需要與探測器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持良好的結(jié)構(gòu)熱匹配性和完整性。通過工程計算、數(shù)值模擬及必要的地面試驗,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)實驗結(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)”,為探測器安全抵達、順利著陸保駕護航。

隔熱材料的生產(chǎn)得到了化工企業(yè)的直接支持。據(jù)河南能源化工集團濮陽綠宇新材張建勛介紹,在配合中國首臺火星車的研制過程中,綠宇新材按照項目要求的材料更輕、性能更穩(wěn)等具體指標(biāo),加強研制攻關(guān),強化生產(chǎn)工藝管控,提高品控檢測頻率,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)全部優(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絕熱材料實驗室、航天裝備承制等單位的認可,為合作方進一步改性產(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。

要飛向火星,擁有突破第二宇宙速度的動力是脫離地球引力的前提。此次搭載“天問一號”探測器是長征五號遙四運載火箭,它擁有著強大動力和驚人速度。此次航天科技集團六院為長征五號遙四運載火箭研制生產(chǎn)了4型共計30臺套發(fā)動機,包括8臺120噸級液氧煤油發(fā)動機、2臺50噸級氫氧發(fā)動機、2臺9噸級膨脹循環(huán)發(fā)動機以及18臺作為輔助動力的姿控發(fā)動機。

作為我國首次火星探測任務(wù),“天問一號”探測器將通過一次發(fā)射任務(wù),實現(xiàn)對火星的“環(huán)繞、著陸、巡視”三個目標(biāo)。要承擔(dān)火星巡視探測重任,完成為期90天的巡視探索任務(wù),“天問一號”探測器除了要攜帶多種精密探測儀器外,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,“天問一號”探測器搭載了“基于形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可展開柔性太陽能電池系統(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)合材料鎖緊釋放機構(gòu)、形狀記憶聚合物復(fù)合材料可展開梁和上海空間電源研究所研制的柔性太陽能薄膜電池。該系統(tǒng)基于復(fù)合材料力學(xué)理論、結(jié)構(gòu)精細化設(shè)計和形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)柔性太陽能電池的鎖緊、釋放和展開,以及展開后高剛度可承載等功能。

“天問一號”探測器在進入軌道后,處于地球大氣層以外的超高真空空間環(huán)境,朝向太陽的表面溫度非常熱,背向太陽的表面則非常冷,導(dǎo)致航天器上的溫差極大。因此,為了保證“天問一號”探測器能夠在極端環(huán)境下保持正常工作,我國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),需要對航天器進行熱控制。也就是說需要一個可以隨機應(yīng)變的保護層為航天器的正常工作進行保護。

一般情況下,研究人員通過在航天器外表面使用不同太陽吸收率和熱輻射率的涂層來調(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。由中科院上海有機所研制生產(chǎn)的有機熱控涂層就是在航天器以及儀器的表面,通過調(diào)控溫度達到熱控需求的材料。

這種涂層自我國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”誕生以來便應(yīng)運而生,通過幾十年的發(fā)展,已經(jīng)研制出幾十種不同用途的有機熱控涂層。嫦娥系列衛(wèi)星也已經(jīng)使用上海有機所研制生產(chǎn)的有機熱控涂層來為航天器的正常工作溫度環(huán)境保駕護航。

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。