5月15日，我國首次火星探測任務天問一號探測器在火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)著陸，在火星上首次留下中國印跡，邁出了我國星際探測征程的重要一步。

火星的環(huán)境是出了名的惡劣，那么，在“天問一號”探測器成功發(fā)射的背后，有哪些新材料扮演了重要角色?

1. 超輕質(zhì)蜂窩增強燒蝕防熱材料 密度更低防熱效率更高

蜂窩增強輕質(zhì)燒蝕防熱材料是空間飛行器防熱的一員“老將”。“神舟”號載人飛船、月地高速再入返回飛行器、“嫦娥五號”月球探測器中，蜂窩增強輕質(zhì)燒蝕防熱材料都發(fā)揮了熱防護的關鍵作用。

此次火星探測器上采用的是經(jīng)配方優(yōu)化設計的新型超輕質(zhì)蜂窩增強燒蝕防熱材料。

▲超輕質(zhì)蜂窩增強燒蝕防熱材料

與“前輩”相比，此材料密度更低、防熱效率更高，并且可以根據(jù)承受的氣動載荷分布進行變厚度優(yōu)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，讓整個結(jié)構的材料更加輕質(zhì)化。同時，探測器大底結(jié)構具有非常好的整體性，確保在奔向火星過程中，即使承受高低溫交變，也能保證結(jié)構的可靠性。

該材料密度約為0.36克/立方厘米，每平方米可承受1.5兆瓦的熱流環(huán)境，可耐受火星大氣以CO2（下標）為主的特殊氣氛氣動加熱。探測器大底結(jié)構的直徑達到3.4米左右，包括約70000個蜂窩格子，團隊采用整體成型工藝，確保了在如此多的蜂窩格子中材料一次性灌注到位。

2. 連續(xù)纖維增強中密度防熱材料 兼顧耐燒蝕和承載能力

由于火星距離地球較遠，為使運載火箭推送得更遠，“天問一號”不能過重，需要盡可能“壓榨”防熱結(jié)構及材料重量。除了超輕質(zhì)蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料，團隊還研制了連續(xù)纖維增強中密度防熱結(jié)構一體化材料，既能滿足結(jié)構要求，又具備輕質(zhì)特點。

該材料主要用于探測器大底及背罩防熱結(jié)構的艙蓋、封邊環(huán)、埋件、螺塞等零部件，相比較低密度材料，其強度更高，密度約為0.9克/立方厘米，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)纖維增強的預浸料中，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)連續(xù)纖維增強燒蝕防熱材料的輕質(zhì)化。

3. 超輕質(zhì)燒蝕防熱涂層材料 隔熱性能優(yōu)良

與探測器大底直面火星大氣沖刷不同，背罩結(jié)構在著陸器側(cè)面，受到的熱流相對更低，因此，二者在防熱上要求不同。對此，航天材料及工藝研究所研制出超低密度防熱涂層材料，密度僅為0.28克/立方厘米左右，熱導率低至約0.06瓦每米開，不僅隔熱性能優(yōu)良，也能給著陸器減重。

▲超輕質(zhì)燒蝕防熱涂層材料

此外，探測器飛向火星的時間長達8個月，由于軌道以及距離太陽遠近的變化，防熱材料還要承受極低的溫度以及高低溫度循環(huán)交變，“冰火兩重天”很容易導致材料出現(xiàn)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(jié)構需要與著陸器的內(nèi)部結(jié)構保持良好的結(jié)構熱匹配性和完整性。

研發(fā)團隊通過工程計算、數(shù)值模擬及必要的地面試驗等方法，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(xié)同作戰(zhàn)”，為探測器安全抵達、順利著陸保駕護航。

4. 新型SiC增強鋁基復合材料 重量輕、強度高、剛性好、寬溫度范圍

據(jù)了解，從“天問一號”探火到“北斗三號”導航，都用了一種特殊材料，新型SiC增強鋁基復合材。

為了滿足“北斗”衛(wèi)星對某關鍵機構材料的高強、高模、高導熱及尺寸穩(wěn)定等綜合性能的特殊要求，金屬基復合材料國家重點實驗室張荻、歐陽求保教授團隊在已有研發(fā)出的高性能SiC增強鋁基復合材料基礎上，優(yōu)化了結(jié)構材料結(jié)構的輕量化，還為機構的高精度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。

據(jù)悉，“天問一號”火星探測器上也成功應用這種對某關鍵機構的材料需求，共交付30余件。新型的SiC增強鋁基復合材料構件重量輕、強度高、剛性好、寬溫度范圍下尺寸穩(wěn)定，助力“天問一號”開展火星探測。

5. 基于形狀記憶聚合物智能復合材料

作為我國首次火星探測任務，“天問一號”探測器將通過一次發(fā)射任務，實現(xiàn)對火星的“環(huán)繞、著陸、巡視”三個目標。要承擔火星巡視探測重任，完成為期90天的巡視探索任務，最重要的就是能源供應，它關系到火星車的“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合材料結(jié)構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)大學研制的形狀記憶復合材料鎖緊釋放機構、形狀記憶聚合物復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)基于復合材料力學理論、結(jié)構精細化設計和形狀記憶聚合物復合材料結(jié)構，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。

來源：中國工業(yè)報社