化工新材料再立新功保护神舟十三号平安回家

中国神舟十三号载人飞船返回舱4月16日在东风着陆场成功着陆,在空间站“出差”半年之久的航天员翟志刚、王亚平、叶光富安全顺利出舱,神舟十三号载人飞行任务取得圆满成功。为保护神舟飞船平安回家,多种化工新材料立下了新功。

记者了解到,与神舟十二号相比,神舟十三号采用快速返回方案,航天员返回时长从之前的一天缩短到8小时左右。返回过程要经过轨返分离、推返分离、过黑障区、开降落伞等关键环节,还要经过严酷的空间环境和轨道条件考验。特别是当返回舱进入大气层后,将与空气发生剧烈摩擦,舱体表面局部温度可达上千摄氏度,但是神舟飞船里面搭载着航天员,所以返回舱内的温度不能超过30℃。

为了确保舱内温度适宜,飞船控温的主要手段就是依靠防热结构对舱内进行保护。科技人员在舱体表面设计了防热涂层,敷设有一层烧蚀防热材料。这种防热材料在高温条件下会发生分解、抗化、升华等一系列吸热反应,从而带走大量的热量,保护内部结构。杨利伟在选入中学语文课本的《太空一日》里曾经提到过:“快速行进的飞船与大气摩擦,产生的高温把舷窗外面烧得一片通红;接着在映红的舷窗外,有红的白的碎片不停划过。飞船的外表面有防烧蚀层,它是耐高温的,随着温度升高开始剥落,并在剥落的过程中带走一部分热量。”

这种材料采用蜂窝状结构,在同样密度的情况下这种结构的强度最高,从研制的100多种防热材料里脱颖而出,可以承受2000℃的高温,保护神舟飞船平安回家。此外,为防止这种材料发生热胀冷缩,不能把防热材料和承力结构材料硬捆在一起,又不做任何处理,应力就足以使防热层开裂,后续返回时就会发生不可想象的后果了。美国的阿波罗飞船是在防热层和承力层之间加装了滑动桁条。神舟飞船则是直接把防热层粘接在承力层壳体上,使结构更简单、质量更轻。

除此之外,在神舟十三号载人飞船的关键部位还采用了中国建材集团有限公司研制的防/隔热一体中密度预混料、高强纱和济南圣泉集团股份有限公司生产的酚醛空心微球。防/隔热一体中密度预混料可有效发挥防热、隔热作用,维持返回舱内的适宜温度;高强纱可应用于返回舱的隔热层,满足返回舱“耐温、保温、坚固”要求。酚醛空心微球是一种内核为空气或其他气体、外层为酚醛树脂的具有特殊中空结构的新材料,具有粒径小、密度低等特点,可发挥耐烧蚀、保温隔热、吸收电磁波等作用,使返回舱内温度保持在安全范围内,为返回舱元器件正常工作、航天员安全保驾护航。

中国科学院上海硅酸盐研究所也为神舟十三号载人飞船任务的顺利完成作出重要贡献。该所研制的长寿命低比值无机热控涂层、耐高温隔热材料与组件、返回舱舷窗防烧蚀污染涂层、姿控发动机热防护材料、舷窗玻璃及光学涂层、返回舱防热天线窗、消杂散光涂层等多种涂层材料得到应用。其中,返回舱舷窗防烧蚀污染涂层在经历183天在轨舱外运行后依旧保持了优异的自清洁功能,保证了返回舱返回大气层过程中窗口受到烧蚀材料挥发污染后仍具有清晰的透明度,使宇航员在返回地球过程中能通过窗口随时有效观察外部情况,也为地面搜救队员在飞船着陆后能首先通过窗口观察舱内状态提供了保障。

返回舱除了温度要控制好“火候”,速度也要控制得恰到好处。神舟飞船在轨道上运行的速度接近第一宇宙速度,在如此快的速度下,要确保航天员的安全,就必须对返回地面后的最终着陆速度进行控制。为实现这一目标,科技人员在飞船研制阶段开展大量试验验证和数据判读,保证飞船在着陆过程中逐步降低速度。返回前,由推进舱轨控发动机实施制动,降低轨道能量和轨道高度,确保飞船再入大气层;

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