如何穿越「恐怖7分鐘」？新型熱防護材料這樣守護「天問一號」火星探測器

2020-07-24 南方plus客戶端

火星探測迎來發射「窗口期」。

我國的首次火星探測任務「天問一號」，將實現火星環繞、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，在火星表面開展區域巡視探測，這在世界航天史上都屬於首例。

如何穿越「恐怖7分鐘」？新型熱防護材料這樣守護「天問一號」火星探測器

搭載著「天問一號」火星探測器的長五遙四火箭點火升空。南方日報記者 李細華 攝

「天問一號」是通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「恐怖七分鐘」，即再入、下降與著陸過程中，要在7分鐘內，要將探測器時速從超過2萬千米/小時降至零。

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。

如何穿越「恐怖7分鐘」？新型熱防護材料這樣守護「天問一號」火星探測器

「天問一號」著陸模擬圖。

「恐怖七分鐘」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，就將燒毀在大氣層中。

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。從1960年人類第一次開展火星探測任務以來，在所有火星表面軟著陸的嘗試中，成功率只有不到50%，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，中國運載火箭技術研究院所屬航天材料及工藝研究所研製了專門的新型熱防護材料結構。

這種熱防護材料結構由超輕質的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料和超輕質的燒蝕防熱塗層材料這兩種材料組成，探測器著陸的時候，材料表面與火星大氣摩擦並發生複雜的物理化學反應，同時帶走大量的熱量，同時材料還具有良好的保溫隔熱性能，雖然表面「熱浪滾滾」，裡面卻依舊「涼爽舒適」，有效保護探測器不被燒壞。

如何穿越「恐怖7分鐘」？新型熱防護材料這樣守護「天問一號」火星探測器

由太空所見的火星稀薄且充滿塵埃的紅色大氣層。1976年NASA的維京一號探測器拍攝。

新型防護材料有哪些過人之處

火星與地球之間的距離最近的時候也有5500萬公裡，是月球到地球距離（38萬公裡）的近150倍。這就要求我們除了要使用大推力火箭的同時，還必須對探測器的重量進行「精打細算」。

在重量要求嚴苛的條件下完成熱防護使命，要求防熱材料採用最優化設計，最大限度的發揮防熱性能和防熱效率。

「天問一號」探測器著陸過程中，受熱最嚴重的探測器底部採用超輕質的蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料，密布了近7萬個蜂窩格子，格子裡面充滿耐燒蝕且隔熱性能優異的防護材料。

科研人員採用比單孔灌注（美國的「阿波羅」號採用的工藝）更加先進的大面積灌注工藝，使得材料灌注成功率達到100%，效率提升了5倍。同時，在探測器整體結構上，採用了超輕質的燒蝕防熱塗層材料，相當於為探測器穿上一件「防護服」。

如何穿越「恐怖7分鐘」？新型熱防護材料這樣守護「天問一號」火星探測器

火星的真實色彩影像，2007年2月由羅塞塔號拍攝。

前面說到，火星距離地球如此之遠，探測器飛向火星需要長達近一年的時間。在這一年的時間裡，由於軌道的變換，防熱材料需要承受極低的溫度以及「冰火兩重天」的高低溫循環交變。

我們常見的大部分材料具有熱脹冷縮的性質，「冰火兩重天」的環境很容易導致材料發生開裂、脫落等問題，而這對於探測器而言是不可接受的災難性問題。為此，研究人員通過科學的材料和形狀設計，確保了三種熱防護材料具有非常好的結構匹配性，在超低溫和高低溫循環的太空惡劣環境中，防熱結構與著陸器的內部結構保證良好的完整性。

「九天之際，安放安屬？」兩千多年前，屈原發出這樣的「天問」，如今，我國新一代航天人，再一次向浩瀚宇宙發出「天問」。我們期待著7個月後探測器能夠順利抵達火星，並圓滿完成後續探測任務，讓中華民族探索浩瀚宇宙的腳步邁得更穩、更遠。

【記者】王詩堃

【通訊員】王春明 梁馨

【作者】 王詩堃

科技能見度

來源：南方+ - 創造更多價值

相關焦點

  • 中國智慧化解「天問一號」飛向火星的「恐怖七分鐘」
    長徵五號遙四運載火箭已將火星探測器「天問一號」送入預定軌道，後續「天問一號」將經歷長時間飛行，最終在極短的時間穿越火星大氣層，經歷「恐怖7分鐘」後，著陸火星。火箭院研製出3種先進材料，為探測器安全著陸火星保駕護航。
  • 「天問一號」——驚險的七分鐘
    由於地球和火星的公轉周期不同，兩個行星大約每兩年「相遇」一次，即地球與火星之間的距離最近。而在此期間從地球上發射火星探測器可以縮短抵達火星耗時，節省燃料，從而降低「探火」成本。也正因如此，多個國家在今年7月至8月迎來的火星探測發射窗口期發射火星探測器。
  • 我國天問一號的任務是什麼？為何火星登陸被稱為恐怖的7分鐘
    截至到國慶佳節，我國「天問一號」火星探測器已運行超70天，也迎來了在太空中的第一個中秋節日，從7月23日，天問一號搭載著長徵五號火箭在文昌正式升空，根據9月20日的數據，探測器的飛行路程已經達到1.6億公裡，在離地球約1990萬千米的地方。
  • 天問一號火星探測器的點點滴滴
    根據目前的消息，「天問一號」火星探測器將在7月23日於海南文昌發射。這次火星探測任務一旦成功，中國將是人類歷史是第二個成功將探測器降落在火星表面的國家。1976年美國的「海盜號」火星探測器是人類第一次將探測器登陸火星表面。當然了，蘇聯也在1971年聲稱成功把探測器降落在火星表面，不過除了蘇聯以外，別的國家一般公認此次著陸是失敗的。
  • 鋼哥的科學驛站 | 「天問一號」的火星之路,降落時的「恐怖7分鐘」
    鋼哥的科學驛站 | 「天問一號」的火星之路，降落時的「恐怖7分鐘」金羊網  作者：李鋼  2020-11-02 中國的「天問一號」究竟有何神奇之處
  • 下一站火星：恐怖7分鐘，天問一號400000000公裡闖關之旅
    兩千年前，屈原在長詩《天問》中發出了這樣的曠世之問。兩千年後，中國航天人要用實際行動給出解答。2020年7月23日12時41分，我國首次火星探測任務天問一號搭乘長徵五號遙四火箭，從文昌航天發射場成功升空，至此開啟長達400000000公裡的旅途。
  • 下一站火星:恐怖7分鐘,天問一號400000000公裡闖關之旅
    兩千年前，屈原在長詩《天問》中發出了這樣的曠世之問。兩千年後，中國航天人要用實際行動給出解答。 2020年7月23日12時41分，我國首次火星探測任務天問一號搭乘長徵五號遙四火箭，從文昌航天發射場成功升空，至此開啟長達400000000公裡的旅途。
  • 「天問一號」如何到達火星
    我國即將發射「天問一號」火星探測器，「天問一號」是我國太陽系行星探測的開端。我們就來聊一聊「天問一號」如何到達火星。根據消息「天問一號」會在7月20日至7月25日從海南文昌發射基地發射。「天問一號」將搭乘長徵五號運載火箭進入太空。
  • 「天問一號」如何到達火星
    我國即將發射「天問一號」火星探測器，「天問一號」是我國太陽系行星探測的開端。我們就來聊一聊「天問一號」如何到達火星。根據消息「天問一號」會在7月20日至7月25日從海南文昌發射基地發射。「天問一號」將由長徵五號發射，由於長徵五號的運載能力非常的大，可以直接將天問一號送入地球和火星的霍曼轉移軌道而不經過變軌。這樣可以節省不少探測器的燃料。
  • 鋼哥的科學驛站|「天問一號」的火星之路,降落時的「恐怖7分鐘」
    文、圖/羊城晚報全媒體記者 李鋼 今年7月23日，中國發射了火星探測器「天問一號」，漫漫長路，它將經歷4億公裡的旅途，去探究那顆紅色星球的秘密。中國的「天問一號」究竟有何神奇之處，探尋火星的道路有多艱難？
  • 鋼哥的科學驛站|「天問一號」的火星之路,降落時的恐怖7分鐘
    文、圖/羊城晚報全媒體記者 李鋼今年7月23日，中國發射了火星探測器「天問一號」，漫漫長路，它將經歷4億公裡的旅途，去探究那顆紅色星球的秘密。中國的「天問一號」究竟有何神奇之處，探尋火星的道路有多艱難？
  • 探測火星究竟有多難？「天問一號」意味什麼？
    進入火星大氣層後探測器要經歷所謂的「恐怖7分鐘」，這對探測器來說更是一項巨大的考驗，探測器要擁有良好的防熱措施，以及降落傘、氣囊和緩衝火箭等在這個過程中都能按程序進行工作並且非常精確確，才能保證探測器可以順利達到火星。
  • 中國首個火星探測任務天問一號發射！「恐怖7分鐘」直接決定成敗
    今天來說說備受矚目的天問一號！天問一號是我國計劃在今年七月下旬到八月上旬執行的火星探索任務的名稱，今後我國其他行星探測任務，都將用天問系列來命名。今年10月14日7時25分將會出現「火星大衝」，也就是地球將會在火星與太陽的中間。此前的兩三個月，是人類向火星發射探測器的最佳時期（窗口期）。那麼火星距離地球最近也在5000萬公裡以上，地月距離是38萬公裡，二者相差100多倍。
  • 我國「天問一號」火星探測器，在去火星的「徵程」中並不「寂寞」
    7月23日12時41分，中國文昌航天發射場，長徵五號遙四運載火箭成功發射首次火星探測任務天問一號探測器，火箭飛行約2167秒後，成功將探測器送入預定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國行星探測第一步。「天問一號」的航行時間為7個多月，飛行距離約4億公裡。這個距離約是地月距離的1萬餘倍，就相當於約830萬個全馬賽程，地球周長的10000倍。
  • 火星見！「天問一號」火星探測器從發射到著陸分幾步？
    火星作為距地球最近的類地行星之一，具有和地球最為相似的自然環境，是目前人類通過改造有望成為人類移居地的首選。2020年7月23日12時41分是歷史性的一刻，在海南島東北海岸中國文昌航天發射場，長徵五號遙四運載火箭發射我國首次火星探測任務「天問一號」探測器。
  • 守護火星探測器著陸！「青島造」為「天問一號」核心環節助力
    這期節目上，青島海麗雅集團有限公司副總工程師徐連龍作為嘉賓，講述了企業在「天問一號」中的兩大貢獻：提供著陸傘繩連接技術、研發並提供特種彈性繩索以用於著陸器耐衝擊試驗。這兩項工作都作用於探測器進入火星大氣後安全著陸這一最核心環節。從這個角度說，海麗雅可謂是火星探測器安全著陸的「守衛者」。
  • 聚焦 | 火星，我們來啦！一起來看看火星登陸「恐怖7分鐘」要經歷啥？
    23日12時41分，我國在海南島東北海岸中國文昌航天發射場，用長徵五號遙四運載火箭成功發射首次火星探測任務天問一號探測器，火箭飛行約2167秒後，成功將探測器送入預定軌道，開啟火星探測之旅，邁出了我國行星探測第一步。
  • 「天問一號」背後的化工材料
    這是戰國時期詩人屈原在《天問》中的詩句。7月23日12時41分，承擔我國首次火星探測任務的「天問一號」探測器在海南文昌航天發射場成功發射，開啟了瑰麗壯美的火星之旅，繼續探求屈原在2300年前的發問。這不僅是我國首次完全自主實施的火星探測任務，還是我國深空領域裡一個全新的裡程碑。那麼，在「天問一號」探測器成功發射的背後，有哪些化工新材料扮演了重要角色?
  • 我國火星探測器「天問一號」發射，和其他國家相比，亮點在哪裡？
    據媒體報導，我國計劃在海南文昌航天發射場，發射火星探測器天問一號，此次發射我國的野心很大，想要一次性實現火星環繞，著陸以及巡視，在國際上還沒有先例。而這三個目標的難度之高，也超過了任何以往的火星探測器發射。
  • 「天問一號」發射現場燃爆！它的使命和其他火星探測器有啥不一樣
    就在剛剛，2020年7月23日12時41分，我國首次火星探測任務「天問一號」火星探測器在海南文昌航天發射場發射升空，發射現場非常壯觀！ 我國的「天問1號」剛剛成功發射，而大洋彼岸的美國宇航局的下一個火星車「毅力號」也將於7月30日發射升空。火星探測器扎堆發射，那麼，探測器是如何被送往火星的，到達火星後它又如何工作？人工智慧能幫助「天問一號」克服哪些困難？中、美、阿聯的火星探測在哪些方面存在差異？