火星探测迎来发射“窗口期”。

我国的首次火星探测任务“天问一号”，将实现火星环绕、着陆和巡视三大任务，对火星开展全球性、综合性的环绕探测，在火星表面开展区域巡视探测，这在世界航天史上都属于首例。

搭载着“天问一号”火星探测器的长五遥四火箭点火升空。南方日报记者 李细华 摄

“天问一号”是通过一个着陆巡视组合体来完成着陆和巡视两项任务的。

着陆巡视组合体包括进入舱和火星车两部分，进入舱负责着陆，火星车负责科学探测。

奔向火星的过程中，最大的难点在于“恐怖七分钟”，即再入、下降与着陆过程中，要在7分钟内，要将探测器时速从超过2万千米/小时降至零。

如何做好探测器的热防护，关系着火星车能否安全到达火星表面开展相关工作，关系着“天问一号”探测任务的成败。

“天问一号”着陆模拟图。

“恐怖七分钟”探测器都经历什么

与月球不同，火星上也存在大气层。虽然火星大气比地球要稀薄一些，但在着陆器高速进入情况下，与大气层的高速摩擦也会使着陆器表面温度急剧升高，就如同一颗流星一样，如果不进行有效的防护，就将烧毁在大气层中。

别看火星上大气密度只有地球的1%，但其大气中二氧化碳占95%，氮气占3%，与从地球轨道上返回的飞船相比，着陆火星的探测器在高热状态下会发生更加复杂的物理化学反应。从1960年人类第一次开展火星探测任务以来，在所有火星表面软着陆的尝试中，成功率只有不到50%，可见火星探测器成功着陆的难度有多高。

为了安全地护卫“天问一号”成功着陆，中国运载火箭技术研究院所属航天材料及工艺研究所研制了专门的新型热防护材料结构。

这种热防护材料结构由超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料和超轻质的烧蚀防热涂层材料这两种材料组成，探测器着陆的时候，材料表面与火星大气摩擦并发生复杂的物理化学反应，同时带走大量的热量，同时材料还具有良好的保温隔热性能，虽然表面“热浪滚滚”，里面却依旧“凉爽舒适”，有效保护探测器不被烧坏。

由太空所见的火星稀薄且充满尘埃的红色大气层。1976年NASA的维京一号探测器拍摄。

新型防护材料有哪些过人之处

火星与地球之间的距离最近的时候也有5500万公里，是月球到地球距离（38万公里）的近150倍。这就要求我们除了要使用大推力火箭的同时，还必须对探测器的重量进行“精打细算”。

在重量要求严苛的条件下完成热防护使命，要求防热材料采用最优化设计，最大限度的发挥防热性能和防热效率。

“天问一号”探测器着陆过程中，受热最严重的探测器底部采用超轻质的蜂窝增强低密度烧蚀防热材料，密布了近7万个蜂窝格子，格子里面充满耐烧蚀且隔热性能优异的防护材料。

科研人员采用比单孔灌注（美国的“阿波罗”号采用的工艺）更加先进的大面积灌注工艺，使得材料灌注成功率达到100%，效率提升了5倍。同时，在探测器整体结构上，采用了超轻质的烧蚀防热涂层材料，相当于为探测器穿上一件“防护服”。

火星的真实色彩影像，2007年2月由罗塞塔号拍摄。

前面说到，火星距离地球如此之远，探测器飞向火星需要长达近一年的时间。在这一年的时间里，由于轨道的变换，防热材料需要承受极低的温度以及“冰火两重天”的高低温循环交变。

我们常见的大部分材料具有热胀冷缩的性质，“冰火两重天”的环境很容易导致材料发生开裂、脱落等问题，而这对于探测器而言是不可接受的灾难性问题。为此，研究人员通过科学的材料和形状设计，确保了三种热防护材料具有非常好的结构匹配性，在超低温和高低温循环的太空恶劣环境中，防热结构与着陆器的内部结构保证良好的完整性。

“九天之际，安放安属？”两千多年前，屈原发出这样的“天问”，如今，我国新一代航天人，再一次向浩瀚宇宙发出“天问”。我们期待着7个月后探测器能够顺利抵达火星，并圆满完成后续探测任务，让中华民族探索浩瀚宇宙的脚步迈得更稳、更远。

【记者】王诗堃

【通讯员】王春明 梁馨

【作者】 王诗堃

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来源：南方+ - 创造更多价值

文章来源：《材料保护》 网址: http://www.clbhzzs.cn/zonghexinwen/2021/1003/991.html

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