据介绍，此次嫦娥五号返回器回到地球，是以第二宇宙速度——11.2公里/秒进入大气层，高速摩擦将在探测器表面产生3000℃以上的高温，其热流超过了我国以往任何一个再入返回的型号。如果高温被传导到返回器内部，将对携带的月球“土特产”产生影响。为此，科学家们设计了一系列措施保证嫦娥五号返回器平安回家。
因各部位防热需求不同穿“拼接款”
我们所熟知的流星，就是太空中的尘埃和固体块等物质由于地球引力进入大气层，与大气高速摩擦燃烧所产生的天文现象。在这个过程中，大部分物质都被烧毁了，极少有物质能够到达地面形成陨石。
航天器在飞行过程中也会与大气层发生剧烈摩擦，从而在航天器表面产生超高温，如果不使用防热材料，在高温作用下，航天器表面材料很快就会出现变形、熔化和消失的现象(也称烧蚀后退)，后像流星一样消失在天际。
防热材料，顾名思义，作用就是防止产品内部的结构被外界的高温所熔化，航天器的防热材料需要在耐高温的同时发挥其结构承载性能，是航天器的“骨骼”。
据介绍，由于航天器不同的部位对防热材料的需求不同，需要根据情况“量体裁衣”，选择不同耐热温度的材料。比如，环氧树脂基复合材料可耐受120℃左右的温度，使用范围比较广泛，可以应用于火箭整流罩、卫星结构件等;双马树脂基复合材料可以耐受200℃以上的温度，主要应用于火箭防热底板、仪器舱舱段等;而聚酰亚胺基复合材料则可耐受500℃左右的高温，可应用于火箭及航天器的耐高温部件。
对于高速穿越大气层的航天器来说，轻装上阵能飞得更远，例如火箭末级每减轻1千克重量，就能增加1千克的有效载荷，或是增加15千米左右的射程。运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所专项主任工程师梁馨说，降低材料密度本身并不很难，但要让材料的密度低，同时又能耐高温、强隔热，难度就非常大了。
为减轻航天器载重负担，科研人员要确保返回器防热材料每1克重量都用在刀刃上，终他们根据各部位受热情况的不同，在大底迎风面、大底背风面、大底拐弯角环、侧壁迎风面、侧壁背风面、侧壁舱盖与边缘防热环、稳定翼七大部位分别应用了7种不同成分的防热烧蚀材料。
比如，气动加热严重的大底结构，采用的是新型轻质低密度烧蚀防热材料，其密度约为每立方厘米0.5克，每平方米可承受6兆瓦(MW)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，密度约为每立方厘米0.36克，每平方米可承受1.5MW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。
防热外衣要扛住“大火爆炒”和“小火慢炖”
此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，形象地说就是打水漂式返回。让返回器先高速进入大气层，随后借助大气层提供的升力“跳”起来，再以宇宙速度重新进入大气层返回地面。
具体来说，在进入返回轨道时，返回器一开始是以第二宇宙速度，即每秒11.2公里的速度进入大气层，以这个速度从北京到上海耗时不到100秒。当以第二宇宙速度移动时，材料温度将达到3000℃以上。
进入大气层后没多久，为了减速，返回器会向上跳跃回到太空，这时外部温度是-120℃。接着又以每秒7.8公里的宇宙速度进入大气层，这时材料表面温度约为1800℃。
打个比喻，如果把返回器比喻成一口锅，那么上述过程相当于锅先经大火爆炒，然后被放进冰块里，再被从冰块里拿出来经历小火慢炖。因此，这次的防热材料不但要经历冷热交变，更要同时经受“大火爆炒”和“小火慢炖”的双重考验，对外层的防热材料提出了极高的高温烧蚀强度要求。
“我国对空间探测防热材料的研究是从上世纪80年代开始的，但这么复杂的情况在我国的空间探测活动中属于次。”梁馨说，为此，团队开展了集中攻关，终创新性地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。
据了解，之前国际上好的防热材料是改进后的Avcoat5026，这是阿波罗飞船所用的防热材料，也是此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密度为每立方厘米0.56克左右，能够在热流作用下能发生分解、熔化等变化，借质量消耗带走大量的热，以达到阻止再入大气层时的热流传入飞行器内部的目的。
但是这种防热材料的制造工艺复杂、周期非常长，以猎户座飞船大底为例，其防热材料需要整整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每立方厘米0.5克，成型周期是猎户座飞船大底的1/25。
文章来源：科技日报
方洲 左小彪 高小方 记者 陈瑜