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化工新材料再立新功 保護神舟十三號平安回家
文章來源:中國化工報     更新時間:2022-04-19 16:20:46
中國神舟十三號載人飛船返回艙4月16日在東風著陸場成功著陸,在空間站“出差”半年之久的航天員翟志剛、王亞平、葉光富安全順利出艙,神舟十三號載人飛行任務取得圓滿成功。為保護神舟飛船平安回家,多種化工新材料立下了新功。

  記者了解到,與神舟十二號相比,神舟十三號采用快速返回方案,航天員返回時長從之前的一天縮短到8小時左右。返回過程要經過軌返分離、推返分離、過黑障區、開降落傘等關鍵環節,還要經過嚴酷的空間環境和軌道條件考驗。特別是當返回艙進入大氣層后,將與空氣發生劇烈摩擦,艙體表面局部溫度可達上千攝氏度,但是神舟飛船里面搭載著航天員,所以返回艙內的溫度不能超過30℃。

  為了確保艙內溫度適宜,飛船控溫的主要手段就是依靠防熱結構對艙內進行保護??萍既藛T在艙體表面設計了防熱涂層,敷設有一層燒蝕防熱材料。這種防熱材料在高溫條件下會發生分解、抗化、升華等一系列吸熱反應,從而帶走大量的熱量,保護內部結構。楊利偉在選入中學語文課本的《太空一日》里曾經提到過:“快速行進的飛船與大氣摩擦,產生的高溫把舷窗外面燒得一片通紅;接著在映紅的舷窗外,有紅的白的碎片不停劃過。飛船的外表面有防燒蝕層,它是耐高溫的,隨著溫度升高開始剝落,并在剝落的過程中帶走一部分熱量。”

  這種材料采用蜂窩狀結構,在同樣密度的情況下這種結構的強度最高,從研制的100多種防熱材料里脫穎而出,可以承受2000℃的高溫,保護神舟飛船平安回家。此外,為防止這種材料發生熱脹冷縮,不能把防熱材料和承力結構材料硬捆在一起,又不做任何處理,應力就足以使防熱層開裂,后續返回時就會發生不可想象的后果了。美國的阿波羅飛船是在防熱層和承力層之間加裝了滑動桁條。神舟飛船則是直接把防熱層粘接在承力層殼體上,使結構更簡單、質量更輕。

  除此之外,在神舟十三號載人飛船的關鍵部位還采用了中國建材集團有限公司研制的防/隔熱一體中密度預混料、高強紗和濟南圣泉集團股份有限公司生產的酚醛空心微球。防/隔熱一體中密度預混料可有效發揮防熱、隔熱作用,維持返回艙內的適宜溫度;高強紗可應用于返回艙的隔熱層,滿足返回艙“耐溫、保溫、堅固”要求。酚醛空心微球是一種內核為空氣或其他氣體、外層為酚醛樹脂的具有特殊中空結構的新材料,具有粒徑小、密度低等特點,可發揮耐燒蝕、保溫隔熱、吸收電磁波等作用,使返回艙內溫度保持在安全范圍內,為返回艙元器件正常工作、航天員安全保駕護航。

  中國科學院上海硅酸鹽研究所也為神舟十三號載人飛船任務的順利完成作出重要貢獻。該所研制的長壽命低比值無機熱控涂層、耐高溫隔熱材料與組件、返回艙舷窗防燒蝕污染涂層、姿控發動機熱防護材料、舷窗玻璃及光學涂層、返回艙防熱天線窗、消雜散光涂層等多種涂層材料得到應用。其中,返回艙舷窗防燒蝕污染涂層在經歷183天在軌艙外運行后依舊保持了優異的自清潔功能,保證了返回艙返回大氣層過程中窗口受到燒蝕材料揮發污染后仍具有清晰的透明度,使宇航員在返回地球過程中能通過窗口隨時有效觀察外部情況,也為地面搜救隊員在飛船著陸后能首先通過窗口觀察艙內狀態提供了保障。

  返回艙除了溫度要控制好“火候”,速度也要控制得恰到好處。神舟飛船在軌道上運行的速度接近第一宇宙速度,在如此快的速度下,要確保航天員的安全,就必須對返回地面后的最終著陸速度進行控制。為實現這一目標,科技人員在飛船研制階段開展大量試驗驗證和數據判讀,保證飛船在著陸過程中逐步降低速度。返回前,由推進艙軌控發動機實施制動,降低軌道能量和軌道高度,確保飛船再入大氣層;返回艙具有特定氣動外形,進入大氣層后,依靠空氣動力產生的阻力和升力減速;返回艙運動至地面附近時打開降落傘,進一步降低速度;快著陸的瞬間開啟返回艙底部的著陸反推發動機,最終將落地速度降低到一定范圍內。此外,為降低宇航員的著陸沖擊,東南大學為神舟十三號飛船返回艙研制了泡沫鋁吸能部件。承擔研制任務的科研團隊在泡沫鋁制備、性能研究等方面有著長期積累,為神舟五號至今的系列飛船、風云四號衛星等航天裝備研制了多樣化的多孔材料部件。

  神舟十三號載人飛行任務取得圓滿成功,標志著空間站關鍵技術驗證階段的完美收官,中國空間站即將進入建造階段。2022年中國空間站將完成在軌建造,6次飛行任務計劃實施,包括發射天舟四號貨運飛船、神舟十四號載人飛船、空間站問天實驗艙和夢天實驗艙。我國首個大型空間巡天望遠鏡的發射計劃也將于2023年執行。這些都需要研制更多特種性能和用途的化工新材料,為我國航天事業發展作出貢獻。

 

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