火星大气中二氧化碳占95%，氮气占3%。经历高温灼烤的着陆器，在有别于地球大气的环境下，将发生更加复杂的物理化学反应，着陆环境更加严苛。

　　天问一号着陆器防热技术的主要研制单位，中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所量体裁衣地设计研制了三种材料：在气动加热最严重的大底结构及大底拐角部位采用了超轻质的蜂窝增强烧蚀防热材料；在需要维持探测器整体形状的上、下边缘和结构支撑部位采用了连续纤维增强中密度防热材料；在气动加热较为缓和的背罩部位喷涂了大面积防热涂层材料，三种材料协同作战守护“天问一号”安全着陆，探访神秘火星。

　　武汉纺织大学也接受中国航天科技集团第五研究院的委托，研制了“火星着陆巡视器耐高温弹性密封装置”，用于将姿控发动机喷口产生的1500℃高温阻隔、密封，并实现姿控发动机喷口尾管和导流锥管的弹性连接。

　　蜂窝增强轻质烧蚀防热材料是空间飞行器防热的一员“老将”。“神舟”号载人飞船、月地高速再入返回飞行器、“嫦娥五号”月球探测器中，蜂窝增强轻质烧蚀防热材料都发挥了热防护的关键作用。

　　此次火星探测器上采用的是经配方优化设计的新型超轻质蜂窝增强烧蚀防热材料。

　　与“前辈”相比，此材料密度更低、防热效率更高，并且可以根据承受的气动载荷分布进行变厚度优化设计，在保证探测器拐角部位能够耐受更严苛的气动载荷的情况下，让整个结构的材料更加轻质化。同时，探测器大底结构具有非常好的整体性，确保在奔向火星过程中，即使承受高低温交变，也能保证结构的可靠性。

　　该材料密度约为0.36克/立方厘米，每平方米可承受1.5兆瓦的热流环境，可耐受火星大气以CO₂（下标）为主的特殊气氛气动加热。探测器大底结构的直径达到3.4米左右，包括约70000个蜂窝格子，团队采用整体成型工艺，确保了在如此多的蜂窝格子中材料一次性灌注到位。

　　由于火星距离地球较远，为使运载火箭推送得更远，天问一号不能过重，需要尽可能“压榨”防热结构及材料重量。除了超轻质蜂窝增强低密度烧蚀防热材料，团队还研制了连续纤维增强中密度防热结构一体化材料，既能满足结构要求，又具备轻质特点。

　　该材料主要用于探测器大底及背罩防热结构的舱盖、封边环、埋件、螺塞等零部件，相比较低密度材料，其强度更高，密度约为0.9克/立方厘米，兼顾了耐烧蚀和承载能力。该材料使用了三元长纤维组成的SPQ纤维布增强体系，并将轻质填料引入到连续纤维增强的预浸料中，实现了对传统连续纤维增强烧蚀防热材料的轻质化。

　　探测器在火星表面软着陆是其中风险最大、技术难度最高的环节。在火星着陆巡视器着陆的“魔鬼9分钟”里，当探测器抛掉大底和背罩，露出着陆平台和火星车时，大推力发动机开始工作，探测器观察地面，寻找最安全的具体着陆地点，此时，巡视器上12台姿控发动机配合主发动机起到减速和姿态调整作用。“火星探测器耐高温弹性密封装置”就装配在姿控发动机喷口尾管和导流锥管连接处，该装置使用特种无机纤维材料与金属材料复合编织，成功将姿控发动机喷口产生的1500℃高温阻隔、密封，并实现了姿控发动机喷口尾管和导流锥管的弹性连接。耐高温弹性热密封技术阻断了发动机火焰高温热传导对周边设备运行的影响，确保发动机火焰不泄漏，实现了姿控发动机火焰喷射时产生的反推力精准可控，为探测器平稳着陆火星提供了重要保障。

　　“火星着陆巡视器耐高温弹性密封装置”由中国航天科技集团第五研究院委托武汉纺织大学研制。研制期间，团队在材料选用环节上遇到了技术难题。当时市面上不存在经1年长期压缩后，既耐1500℃高温火焰短时冲刷，又能保证100%回弹性的材料。经过查阅大量文献，多种方案尝试和实验发现，有机材料都无法满足此功能，只能选用无机材料，但无机材料在高温条件下无法保证100%的回弹性。团队创新性地提出将隔热与弹性功能分离的设计方案，使用特种无机纤维材料与金属材料复合编织，保证了装置的稳定性，同时采用波形弹簧有效解决了100%稳定回弹难题，最终达到了该装置所要求的技术指标。

来源丨科技日报、武汉纺织大学