颠覆性技术！国产防热材料抗3000度高温为空天飞机研制扫除障碍

  这个世界能发射卫星的国家慢慢的变多，有航天员的国家也不少，比如阿联酋就有，能发射载人航天器的国家也有几个，比如日本在国际空间站部署的希望号实验舱，但如果论能胜任载人天地往返任务的国家，那就真是凤毛麟角。

  载人天地往返能力是实施一切载人航天任务的基础，正是看中了这一价值，所以印度航天也决定要在载人飞船领域显一显身手：

  “载人天地往返”难就难在“往”与“返”这两个字上，最难的就是返回段，以成功返回地球的神舟十五号载人飞船为例，从脱离空间站后第一次调姿开始算起，到着陆，前后历时五十余分钟，整个返回阶段的第一个任务就是将约2.8万公里的时速降至零，听起来是不是跟天问一号登陆火星有点像，是的，任何一个航天器要想登陆一个天体都要满足相应的减速需求。

  神舟十五号在五十余分钟的返回阶段中需历经动力减速、气动减速、降落伞减速、反推缓冲着个环节，像地球、火星这种有大气的岩石星球，对于航天器而言既是机遇也是挑战，机遇指的是航天器可通过大气消减掉90%的速度，挑战指的是高速进入大气时的高温烧蚀，以及由此产生屏蔽通信的黑障考验。

  衡量一款载人天地往返飞行器的综合性能，首先要看防热水平，也能说是“一代防热材料一代飞船”，而我国在这一领域可以毫不讳言地说，不仅站在了世界第一梯队，而且在第一梯队里也是遥遥领先，并基于防热材料的领先优势，已经在以空天飞机为代表的高超音速装备领域持续获得领先成果。

  三十年前我们决定以载人飞船起步发展载人航天工程，虽然借鉴了联盟飞船的三舱构型，但我们飞船的每一个分系统均为国产，并且实现了后来居上，尤其是防热材料选择了高标准的“蜂窝增强型低密度防热烧蚀材料”，这是一种在数百种配方里遴选的满足再入大气需求的材料，能够抵御两千多度的高温烧蚀。

  神舟飞船应用的防热烧蚀材料与阿波罗登月飞船所用的防热材料类似，经过改良升级也可用于月球采样返回或者载人登月任务，比如嫦娥五号最初选择的就是这条技术路径，但经过总体测算重量还是超标了。

  以神舟飞船为例，其防热结构重量就有数百公斤，而返回舱的整备发射质量也就是3吨左右，可见其占比之高。

  嫦娥五号当时防热材料重量超标后，研制人员从降低材料密度着手降低重量，他们立下了一个目标就是要低于阿波罗飞船0.55g/cm³的防热材料密度，其实这仍然是一条传统硅基防热材料的赛道，即便如此我们依然在这条赛道上跑出了一个世界第一，最终嫦娥五号应用的防热烧蚀材料密度如期实现了既定目标，直接减重42公斤，这是什么概念？

  嫦娥五号返回器的发射重量就是300多公斤，42公斤的减重对于返回器的意义自是不必多言，要知道嫦娥五号是由推进舱、返回器、着陆器、上升器组成的多器组合的大规模深空探测器，任何一个成员的减重都将直接服务其它成员，42公斤几乎就相当于着陆器配置的月球表面采样器的重量。

  如今，NASA用于载人重返月球计划的“猎户座载人飞船”所用的防热烧蚀材料依旧是阿波罗飞船防热烧蚀材料的延续，这种延续甚至能够说是原封不动，各项指标均与阿波罗飞船返回舱所用材料保持一致。

  这种不思进取还体现在加工工艺上，他们现在仍然需要用手工去加注猎户座飞船返回舱大底，整个加工周期长达5个月。

  前不久，在神舟十六号任务发布会上，我们也官宣了载人登月阶段任务全面启动的消息，要实现这项任务需要三件刚需装备，分别是新一代载人运载火箭、新一代载人飞船、月面着陆器，除此之外，还有登月服、载人月球车。

  “新一代载人飞船”承担着载人地月往返的重任，它所应用的具有颠覆式创新价值的新型防热材料就是我们遥遥领先的最强注脚。

  据载人航天工程飞船总师张柏楠介绍，起初我们也研制了一款基于跟踪模仿路径的一代材料，这款材料也研制成功了，但是总体上未达到我们的要求。

  这里所说的一代防热材料指的可能就是当年CZ-7火箭首飞搭载的多用途飞船缩比返回舱，当时官宣是这样介绍的：

  多用途飞船缩比返回舱是我国未来载人深空探测任务关键产品，此次飞行试验成功验证了我国新一代多用途飞船的返回舱新气动外形，突破了航天器可重复使用设计、验证及评估技术，新型金属材料产品也经受住了苛刻返回环境的考验。这标志着我国载人深空探测技术迈上了新的台阶，为未来载人深空探测任务奠定了基础。并着重强调其防热结构的可拆卸特性，这样便于返回舱的重复使用。

  防热结构可拆卸意味着其防热材料不能沿用旧的制备方案，必然也是一代新型材料。

  也就在多用途飞船缩比返回舱发射的那一年，张柏楠总师说，我国新一代载人飞船将瞄准世界领先水平，并力争实现与国际同步发射。

  后来的事实表明，我们向来是说到做到的，包含返回舱与服务舱完整构型的新一代载人飞船试验船于三年前搭乘CZ-5B遥一火箭成功实施了首飞任务。

  此次飞行任务前后历时约3天，总计绕飞地球32圈，期间有9次自主变轨，最终从远地点7900公里的大椭圆轨道以近第二宇宙速度再入地球大气层返回，新型防热材料成功经受住了近第二宇宙速度再入热流考验，并基于自适应预测校正制导技术实现了精确着陆，为我国载人登月任务的实施进行了先导技术验证，这款飞船后续型号的使命就是载人登月。

  同一时期放眼国际，同样用于载人登月任务的猎户座飞船当时还没有实现完整构型的首飞，其它同行用于载人登月的飞船更是杳无踪影。

  新一代载人飞船试验船的任务定位，用载人航天工程飞船总师张柏楠的话说，就是相当于当年的神舟一号。

  新一代载人飞船……虽然这个称谓后面还有“试验船”三个字，但就是这个试验船也已经足够强大：

  新一代载人飞船试验船最大直径4.5米，高8.8米，发射质量21.6吨，其中返回舱发射质量7吨，与之相比，服务NASA载人重返月球计划的猎户座飞船发射质量26.5吨，返回舱发射质量是10.4吨。

  就吨位而言，猎户座飞船的返回舱大于新一代载人飞船试验船的返回舱，但是内部空间的对比却是大反转。

  造成这种反转的最直接原因是，他们拿着远高于我们的预算，却在关键技术领域停滞不前，其中最关键的就是他们还在用半个世纪前阿波罗飞船使用的防热材料。

  如前文所述，防热材料结构重量在返回舱总重中占有较大比值，我们摈弃了类似阿波罗飞船使用的硅基防热材料，独辟蹊径选择了一条全新的技术路线：超轻质碳基微烧蚀防热材料。

  此种材料在重量、热导率、压缩强度、拉伸强度等指标上实现了对猎户座、载人龙、CST-100等型飞船在内的全面跨代超越，而且材料有着刚柔兼顾的特性，适用于多种类型轨道的再入返回任务，能经受3000摄氏度高温烧蚀。

  这就使得我们凭借新材料可以用更小的重量代价实现返回舱内部的大空间，在这个空间里面还可以设计独立的卫生间、娱乐就餐区，让航天员们的地月往返旅途更舒适。

  除此之外，新一代载人飞船试验船还应用了光电转换效率高达34%的太阳能电池、大推力单组元无毒无污染发动机等一系列具有世界领先水平的高技术装备。

  针对后续载人登月任务需求，新一代载人飞船将基于上述优势技术，进一步放大，比如返回舱大底直径将扩展至5米，内部居住空间也将有望进一步增大。

  站在领先的位置上，我们并没有止步不前，与超轻质碳基微烧蚀防热材料同时代的还有一款能应用空天飞机的新型国产防热材料。

  上世纪90年代，极具战略眼光的钱学森同志在他82岁高龄时曾这样嘱咐年轻一代航天人： 21世纪的中国人一定要在空天飞机上显一显身手，一件国家大事。

  因为钱老深刻认识到了，航天事业的又一重大发展是空天飞机，尤其是把它作为用半小时即可横跨2万公里的民航工具，所以空天飞机应是21世纪的重大成就。

  空天飞机指的是动力系统能适应低空大气、高空大气、太空空间，并能够在大气层外空间进行自主飞行的跨域飞行器，此种飞行器的一个显著特征就是带有翼面结构，因此我们将此类飞行器统称为“带翼航空航天飞行器”。

  在钱老的关注下，我们在带翼飞行器领域的发展从未中断，并在21世纪头二十年实现了快速地发展，首先是以DF-17、可重复使用试验航天器、亚轨道运载器为代表的一大批具有国际领先水平的高超音速装备，再就是在组合动力飞行器领域的一系列关键技术突破。

  在这些关键技术中，防热就是关键中的关键，以航天飞机、X-37B为例，为实现精准的气动控制，以及重复使用需求，它们需要应用几乎无烧蚀的隔热瓦材料，与烧蚀材料通过烧蚀气化带走热量的原理不同，它是通过绝缘材料吸收和散发热量实现防热，由于这样一种材料的一体成型技术薄弱，所以从始至终都伴随着隔热瓦脱落难题，这一难题已经延续到了目前SpaceX公司的星舰。

  隔热瓦的防热性能也是有限的，它难以抵御两千摄氏度以上的高温。航天飞机的再入速度约23马赫，而目前我们所要实现的是通过动力加速实现20至30马赫的速度，并且是长时间洲际飞行，这就不是隔热瓦所能满足。

  这款国产防热材料的具体名称以前曾有公开报道，但现在已经不便披露，可以确信的是它可以抵御三千摄氏度以上的高温，比传统的隔热瓦更易于一体成型，而且在经历此等高温时自身就没有烧蚀，很适合对于气动特性敏感的带翼航空航天飞行器使用，该型材料比碳基微烧蚀防热材料更早一步实现了批量生产应用。

  创新这道闸门的打开需要前期雄厚的积累，而创新这道闸门一旦打开，那真就是一发不可收拾……

  在航天防热领域还有一个经典案例就是天问一号探测器，该探测器创造了人类前所未有的火星探测成绩——一步实现火星绕着巡，其中承担着陆任务的进入舱就应用了一种密度低至0.36g/cm³的超轻质蜂窝增强低密度烧蚀材料，能够在经历漫长的地火转移的高低温交变考验后依旧保持防热结构的可靠性。

  承受热流考验最严酷的位置就是进入舱大底，天问一号进入舱大底直径达到了3.4米左右，有约70000个蜂窝格子，如果按照NASA的人工加注工艺，那就需要将近一个月，而我们只需一天。

  为了验证该材料的可靠性，我们甚至专对于火星富含二氧化碳的大气环境，专门对风洞设施进行适应性改造，在电弧风洞中实现了95% CO2以上的真实火星进入热环境复现，这是连NASA都不具备的能力，而我们具备了目前世界上最广的火星热环境模拟和防热考核试验能力。

  观天问一号进入舱有没有觉得它和神舟十六号返回舱有着某一些程度的相似？是的，它们的颜色都是银白色，这其实是新研发的通用低吸收低发射涂层，它可以使航天器在长时间在轨飞行中实现更好的舱内环境和温度控制。

  从神舟十二号开始飞船返回舱就已经由深色转变为银白色，因为我们进入了空间站时代，航天员在轨驻留时间目前已经普遍是半年，也代表着飞船需要停靠空间站至少半年时间，加之飞船在轨姿态受空间站组合体限制，导致热量摄入不均衡，因此，需要更改返回舱涂层，以便长期在轨温控。

  天问一号地火转移飞行长达六个多月，环火等待着陆窗口又需要三个月，身处进入舱舱内的火星车与着陆平台也需要相对可控的温度环境，因此也应用了低吸收低发射涂层。

  为什么说我们在航空航天领域已经从必然王国进入到了自由王国？关键是在自力更生的基础上掌握了核心技术，所以才能一通百通，进而实现“人有我优，人无我有”。