嫦娥五号防热材料团队：打造比钻石还刚的“战衣”

Original 航天科技一院 中国运载火箭技术研究院 Today

他们知难克难不畏难，闯过一道道关，建起材料新体系；

他们用智慧和汗水，架起通往世界防热材料高峰的天梯；

他们不懈奋斗，勇往直前，一切只为祖国，一切只为成功。

2020年，我国首次月球无人采样返回任务圆满完成。成功面前，是亿万中国人的喜悦；成功背后，是无数科研人员的智慧和汗水。航天材料及工艺研究所嫦娥五号防热材料团队，作为此次任务的幕后功臣，为嫦娥五号“防热衣”研制付出了近10年的努力。当得知任务圆满完成的那一刻，成功的喜悦、泪水，往日的艰难、坎坷，一股脑儿涌上大家的心头……

要做就做最好的

时间回到2011年1月，航天材料及工艺研究所接到一个新任务：要为嫦娥五号返回器研制一件专属“防热衣”。为了完成这项艰巨的任务，航天材料及工艺研究所组建起嫦娥五号防热材料团队，91车间、三事业部、七事业部防热材料研制的主力骨干纷纷加入其中。

团队成员在防热材料研制上虽身经百战，经历了返回式卫星、载人神舟飞船等多个任务的防热材料研制考验，但接到为嫦娥五号返回器研制防热材料的任务时，大家心里除了无比激动外，还是充满了忐忑。

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不同于以往的材料研制，嫦娥五号任务是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一，不仅时间紧迫，其返回器面临的环境也空前苛刻，这要求防热材料不仅耐高温，还要高强度，而且重量越轻越好。

为了尽可能降低材料重量，团队成员将每一克重量都用在刀刃上。大家对返回器不同部位的受热情况进行了细致分析，依据受热情况，从33种新型材料中筛选出7种，为返回器量身定制轻质“防热衣”。

尤其对于返回器气动加热最厉害的大底结构，团队专门研制了新型轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料，密度低至0.5g/cm3。超低的密度给大家带来了超乎预料的材料研制难度。

最开始，团队是在神舟飞船用防热材料的基础上进行改进。在4、5个月的努力后，材料的各项性能都符合要求，但经总体计算测试时，问题出现了：重量不达标！

“时间已经过半，难道要重头开始？时间来得及吗？”大家瞬间心里没了底。

回忆起那时的情形，专项主任工程师梁馨说：“打击肯定是有的，但时间紧迫，我们没有时间沉浸在失败里，马上开会研究，决定重新研制新材料，一定要将重量降下来。”

当时，型号两总对这件事也非常关注，特意来到航天材料及工艺研究所，拿出一堆材料，与大家面对面交流：“我们查了一下，阿波罗飞船防热材料的密度是0.55g/cm3，咱们能实现吗？”作为团队负责人，李仲平院士说：“要做就做最好的，国外0.55g/cm3，我们就0.5g/cm3。”

这个说法一出，在场的团队成员都心里一愣。“虽然看起来只有‘0.05’的差距，但在这种极致情况下，‘0.01’的减少，都是材料综合性能上质的飞跃。”梁馨说道。

感受到团队成员们身上的压力，李仲平随后跟大家说了8个字：“竭尽全力，尽力而为”。简短却坚定的话语，让大家为之一振。

使命在肩，就要勇往直前。清晨安排试验、上午调整参数、下午讨论分析、晚上总结优化，每天团队中的每个人都这样雷打不动。最终，团队成功将材料密度降到了0.5g/cm3，减重42千克，相当于节省出了一个月壤表采装置的重量。

“那段时间，大家拼尽全力，工作到晚上10点是常态。当研制成功后，第一次正点下班，一时还有些不适应。”团队成员方洲笑着说道。

知难克难不畏难

科学研究就如登山，不可能一马平川，爬坡过坎在所难免，可贵的是研制人员知难克难不畏难。

此次返回器采用的是全新的再入方式——半弹道跳跃式再入，返回器以第二宇宙速度进入大气层后，为了降速，会向上跳跃进入太空，再以第一宇宙速度重入大气层，大家形象地称这一过程为“打水漂”。

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这种全新的再入方式，降低了返回器再入的速度，为后续载人登月工程提供了保障，但返回器却要经受住从3000摄氏度降到零下90摄氏度再到1900摄氏度的冷热交替的考验。

“如果把返回器比喻成一口锅，那么上述过程就相当于这口锅先经历大火爆炒，再拿到冰水里降温，最后小火慢炖。因此，它的‘防热衣’不仅要轻，还要足够‘坚硬’，能经受得住冷热交替。”梁馨解释道。

其实，不仅仅是冷热交替，“防热衣”还要同时经受住“大火爆炒”和“小火慢炖”的双重考验，这无疑对它提出了非常高的高温烧蚀强度要求，这种高性能材料在我国也是首次研发。

一般来说，防热材料的密度越低，隔热性能相对较好，所以最初团队将研究重点放在了解决低密度材料的耐高温问题上，研制了以碳为主的材料体系，并顺利通过“大火爆炒”的考验。

但大家还没来得及为通过第一关而欢呼雀跃，一盆冷水就扑面而来。材料在进行低热流的试验考核时，烧掉的部分比预期大很多。“我们称这种现象为‘烧蚀后退’，它严重时将会影响返回器的外形，进而影响其跳跃式返回轨迹。”梁馨说道，“不解决‘烧蚀后退’问题，返回器无法安全冲过大气层，返回地球。”

文献资料大量查阅、试验结果多次分析、试验录像反复观看……整个项目团队开始了全力集中攻关。功夫不负有心人，通过在材料体系中加入抗烧蚀退化的物质，团队创新地研制出一种全新的材料体系，满足了嫦娥五号返回器苛刻的防热要求，并成功通过考核试验，完成了原本认为不可能完成的任务。

‘烧蚀后退’问题解决了，但在做产品大型结构时，团队又遇到了新的挑战。由于是新材料，其流动性较差，以往对蜂窝结构采取整体灌注的方法，现在出现了灌不密实的情况。

如果提高新材料的流动性，是不是就能解决结构成型问题？添加溶剂、提高温度……在系统的原理分析后，团队成员采取了一系列改进措施和试验，但效果却都不尽人意。

在一次团队交流中，有一名队员调侃自己篮球打不好，如果篮筐大一点，他肯定能百发百中。这句无心的话给了团队一个全新的思路，在材料本身下功夫没有用，那在结构上呢？如果蜂窝的直径在允许范围内扩大一点，是不是就容易灌注成型了？

纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。有了新方向，团队成员立马开始行动，蜂窝直径与防热结构热结构匹配关系密切，所以在不断的调整参数和试验下，团队找到了合适的结构大小，成功解决了防热材料灌注不密实的问题。

知难而上不言难，迎难奋进不怕难，克难攻坚不畏难，正是凭借着这股勇往直前的冲劲儿，嫦娥五号防热材料团队攻克了一道道难关，创造了一个个奇迹，研制出了世界领先水平的防热材料。

交付产品百分百放心

材料研制成功了，成型问题解决了，产品也按时交付给用户方，但这项任务却没有结束。原本计划于2017年前后执行的嫦娥五号任务，因故推迟。嫦娥五号防热材料团队的材料研制工作也从冲刺“短跑”变成了持久“长跑”。

防热材料的储存周期是多少？长时间放置会不会影响其性能？团队成员还来不及喘口气，新的问题接踵而来。为了保证嫦娥五号任务的万无一失，确保交付产品用户用的放心，团队举全员之力、尽全员之责，打响了产品维护保障之战。

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“以往的产品研制出来后，紧接着就是执行任务，不存在这么长的储存时间。因此，每隔一段时间，我们就要对产品进行测试，检测其性能是否有影响。”梁馨说道。

这场“长跑”并非一帆风顺，遇到了很多意想不到的波折。2014年8月，嫦娥五号飞行试验器的防热环出现脱胶鼓出现象。这个飞行试验器是嫦娥五号探测器发射前用于技术工程试验的一颗探路星，在2014年年底前就要发射，因此时间紧张，必须在一个月之内完成修补。

得知消息的当晚，型号两总紧急召集各部门开会，讨论解决方案。会议结束后，专项主任工程师王振河和中密度防热产品主管工艺李翔留了下来，连夜开展修补工作。

由于产品已经是最终状态，里面的仪器设备都已整装待发，不具备翻转条件，且脱胶鼓出处位于产品最下端，操作人员只能在产品竖直的状态下，从下往上进行修补。但从下往上修补，胶液会往下流，不好控制，且如果修补不好，修补处会有憋气，造成内外压差，极有可能引起脱胶现象二次出现，影响其防热性能，导致整个返回再入任务因蹿火失败。补胶工艺操作难度巨大，导致修补工作一度停滞不前。

第二天，用户与团队又开了一次会，特意邀请航天材料及工艺研究所修补方面的专家一起研究讨论新的修补工艺方法。去鼓包、细打磨、涂涂层……那一个月的时间，大家不眠不休，在抓紧修补问题的同时，从原理上分析，为什么会鼓包？什么因素影响？……以确保后续问题不再发生。

“那段时间，真是寝食难安，醒着、睡着，脑子里都是工作流程，想着如何才能更好、更快修补，如何快速准确定位脱胶机理并找到工艺改进措施。”李翔感慨道。在大家的努力下，问题及时解决，飞行试验器圆满完成任务，为后续嫦娥五号任务的成功奠定了基础。

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试问苍穹星辰，何谓以身许国？青丝化作白发，依旧铁马冰河。近10年的拼搏、近10年的奋斗、近10年的坚守，嫦娥五号防热材料团队用满腔热血，铸造出这件比钻石还刚的“战衣”，为嫦娥五号任务保驾护航、为航天事业腾飞助力、为祖国发展添砖加瓦。