中国复合材料学会
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12月17日，嫦娥五号返回器带着月壤成功返回地球，时隔44年，人类再次从月球带回了岩石和土壤样本，我国成为继美国、苏联之后，第三个实现月球采样返回的国家。
此次嫦娥五号探测器返回地球，是以第二宇宙速度 11.2km/s进入大气层，如此高速的摩擦将在探测器表面产生3000℃的高温，其热流超过了我国以往任何一个再入返回的型号。针对于此，航天科技集团一院703所研制团队为其量身打造了新型防热外衣，有效保证了嫦娥五号的顺利返回。
防热外衣要轻
由于嫦娥五号要一次性实现“绕-落-回”，为了降低载重，最大化试验效率，让“五姑娘”轻装上阵、安心挖土，防热材料也要相应减重。只不过这一次，研制团队对“轻”的要求几乎达到了苛刻的程度。
■ 嫦娥五号月球采样返回任务过程示意图（中国航天报 制图）
其实，一味降低材料密度本身并不是很难，但要让材料的密度低，同时又要耐高温、强隔热，难度就非常大了。团队成员死抠整个返回器防热材料的重量，确保每一克重量都用在刀刃上，最终在不同部位按照受热情况的不同，采用了7种防热材料。
例如：在气动加热最严重的大底结构采用的是新型的轻质C-Si-O蜂窝增强低密度烧蚀防热材料，其密度约为0.5g/cm3，可承受6MW/m2的热流环境；拐角采用连续纤维增强中低密度结构材料；侧壁结构采用的是超轻质的蜂窝增强防热材料；密度约为0.36g/cm3，可承受1.5MW/m2的热流环境……这7种材料相互配合，和谐相处，防热减重两不误。
■ 其中一种防热材料（真的不是饼干）
但是，在探测器“奔月”和“绕月”的过程中，由于轨道的变换和距离太阳的远近，防热结构不仅要承受几乎完全真空、没有大气层和地磁保护的宇宙空间里各种离子的辐照，还要承受极低的温度以及高低温度的循环交变，这就对7种防热材料的性能及其与承力结构的热结构匹配性、整体性提出了更高的要求。就好比让软硬不同的装修材料铺满整个房间，而且这些材料还不能因为冷热交替变形、开裂，难度可想而知。
经过703所科研团队的不懈努力，攻克了侧壁、大底整体防热结构及7种不同防热材料匹配的难题，满足了月球采样返回防热材料轻质又防热的苛刻要求。
防热外衣要强
防热材料除了越轻越好，还需要拥有足够的强度。这就好比大家冬天穿羽绒服，除了希望羽绒服尽可能轻，不要穿在身上感觉沉甸甸之外，还希望羽绒服尽可能结实，不要风一吹、水一洗就破了。特别是防热材料面对的是几千摄氏度的高温，在高温下还要保持一定的强度。
这次，嫦娥五号返回器采用的是一个非常有特点的再入模式：半弹道跳跃式再入，形象点说就是打水漂返回。
这种方式怎么理解呢？嫦娥五号在进入返回轨道时，一开始是以第二宇宙速度，11.2km/s进入大气层。整个速度有多快？相当于从北京到上海只用了不到100秒。这时候，材料温度会达到3000℃。
进入大气层后没多久，为了减速，嫦娥五号会向上跳跃回到太空，这个时候外部温度是-120℃。
接着，嫦娥五号又以第一宇宙速度7.8km/s进入大气层，这时候的材料温度是1800℃。
■ 嫦娥五号返回示意图
打个比喻，如果把返回器比喻成一口锅，那么上述过程就相当于这个锅先大火爆炒，然后放进冰块里，再从冰块里拿出来小火慢炖。因此，这次的防热材料不仅要经历冷热交变，更要同时经受住“大火爆炒”和“小火慢炖”的双重考验，对最外层的防热材料提出了非常高的高温烧蚀强度要求。
■ 返回后的嫦娥五号经历了高温烧蚀（李淑姮 摄）
这是我国首次遇到这类情况，而且时间紧迫。为此，团队开展了集中攻关：清晨安排试验、上午调整参数、下午讨论分析、晚上总结优化，每天雷打不动。同时，团队还不断调研与收集国内外前沿进展，不断完善设计思路。
最终，在很短的研制时间里，团队创新研制了以“碳”为主的材料体系，并顺利解决了烧蚀后退等问题，完成了原本认为不可能完成的任务。
嫦娥五号的防热材料拥有完全的自主知识产权，达到了世界领先水平。之前国际上最好的防热材料是改进后的Avcoat5026。Avcoat5026是阿波罗飞船所用的防热材料，也是目前唯一经历载人登月返回特殊严酷热环境的防热材料。改进后的Avcoat5026仍为烧蚀型防热材料，密度在0.56g/cm⊃3;左右。这种防热材料的制造工艺复杂、周期非常长，猎户座飞船大底的防热材料需要整整6个月才能完成制造。而嫦娥五号探测器的防热材料密度为0.5g/cm⊃3;，成型周期是猎户座的1/25。
我国空间探测经历了返回式卫星、载人神舟飞船、月球无人探测、火星探测等活动，后续还将开展小天体探测、载人登月探测、火星取样返回等探测计划，探测器或再入器的防热材料是关键技术之一，是关系探测成功与否的重要环节。后续，703所仍会再接再厉，发展防热材料技术，为我国空间探测活动提供技术支撑。
文/ 梁馨 方洲 左小彪 高小方
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