美国已落后！中国独创颠覆材料，耐热3000度，新型载人飞船已采用

近日，央视的一则公开报道，让世界看到了中国在登月工程上的进展，中国独辟蹊径研发了一种颠覆性的材料技术：超轻质碳基微烧蚀防热材料，这种材料最早2021年央视就已经报道过，随着中国登月工程正式开展，超轻质碳基微烧蚀防热材料再次出现在大众眼前。这种材料将助力中国载人登月飞船登陆月球。

(资料图)

面对我国防热材料的突破，和飞速发展的载人飞船登月项目，美媒在报道中国登月工程的时候发出来了“之前对中方式或许并不正确，留给拜登的挽回时间所剩无几”的感叹。美媒甚至发出请求：希望中国能与美国共享这项技术。

随着航天技术的发展，航天飞行器的飞行速度不断提高,服役环境越来越恶劣,有效的热防护系统可在飞行器结构面对剧烈的气动加热时为其提供足够的保护，使飞行器免于严酷的气动热环境的伤害而能保持更长时间的安全飞行。可靠的热防护系统是高性能飞行器安全飞行的关键系统之一,而对其防热结构的设计和防热材料的选择是热防护系统设计研制的关键。随着飞行器飞行速度的不断提高，飞行器的热防护问题成为限制飞行器发展的瓶颈。

尤其是登月，返回舱第二宇宙速度再入大气层时，速度达到第二宇宙速度，每秒公里，阿波罗指令舱的最高表面温度分别可达2950K，热流峰值是近地轨道飞船再入大气的两倍多，如此高的温度，必须要通过防热系统的散热和隔热措施，使返回舱的内壁温度保持在允许温度内。

此外，对防热系统要求，能经受强振动和噪声环境，上升段声压可达170 dB ，再入段气动噪声可达145dB；能承受再入过载、热应力载荷、高速气流和高温羽流的冲刷；环境适应性好，能满足发射、运输和操作等环境下的防水、防盐雾、抗雨淋和侵蚀等。

另外，防热材料在保证强度的情况下，越轻越好，航天器对于重量向来是非常敏感的，尤其是深空探测任务。防热材料越轻，携带的其他载荷以及内部空间就可以越多。

烧蚀热防护材料按密度分为标准密度与轻质烧蚀材料。以碳/碳、碳/酚醛、高硅氧/酚醛为代表的标准密度烧蚀材料主要应用于高热流、超高温、高驻点压力、高速粒子冲刷等极端恶劣环境短时间服役的远程火箭或导弹； 轻质烧蚀材料主要应用于飞船返回舱或空间探测器等普遍采用半弹道－ 跳跃式或升力再入等气流焓值高、短时间热流密度大、驻点压力低和再入时间长的再入环境。

此前，世界上最先进的防热材料是改进后的Avcoat5026。Avcoat5026是阿波罗飞船所用的防热材料，也是目前唯一经历载人登月返回特殊严酷热环境的防热材料，这是一种是在玻璃纤维/酚醛蜂窝中填充环氧－ 酚醛树脂及酚醛空心微球、短切石英纤维填料制成平均密度为0. 55 g /cm3的复合材料。

相比于硅橡胶，酚醛树脂能承受更高的热流和表面温度，烧蚀率低，烧蚀表面碳化层的强度更大，能够通过反向辐射耗散掉大量的再入加热等优点，使得酚醛树脂成为高加热环境的优良防热材料。改进后的Avcoat5026仍为烧蚀型防热材料，密度在/cm3左右。

但是中国在嫦娥五号上使用了轻质C-Si-O蜂窝增强低密度烧蚀防热材料，其密度约为/cm3，可承受6MW/m2的热流环境；拐角采用连续纤维增强中低密度结构材料；侧壁结构采用的是超轻质的蜂窝增强防热材料；密度约为/cm3，可承受/m2的热流环境，这也标志着中国在飞船防热材料的研究，在使用了轻质C-Si-O蜂窝增强低密度烧蚀防热材料之后，中国嫦娥五号直接减重了42公斤。

而在嫦娥五号的基础上，中国再次颠覆性研制了超轻质碳基微烧蚀防热材料，除了可以抵御第二宇宙速度再入烧蚀，最高可以抵御3000度的高温，从而顺利完成地月球返回之外，它的厉害之处在于，能够以极小的尺寸与重量代价解决航天器再入隔热问题，这样一来，我们的飞船返回舱就可以实现大空间轻重量的优化设计。

这真不是饼干

2021年央视采访报道的时候， 航天科技集团五院、新一代载人飞船试验船项目负责人张柏楠就明确表示，在防热材料上，美国已经落后中国。

在应用了新一代防热材料之后，中国新一代载人飞船的内部空间达到了全球之最，新一代载人飞船试验船最大直径米，高米，发射质量吨，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吨，返回舱发射质量是吨。

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。猎户座飞船返回舱内部可用容积是9立方米，而我们的则是13立方米。

另外猎户座飞船的防热材料仍然使用的是阿波罗飞船防热材料的改进款，制造工艺复杂、周期非常长，猎户座飞船大底的防热材料需要整整6个月才能完成制造。而中国的防热材料采用了热压罐真空加注工艺，只要8个小时就能让隔热结构一次成型。而且 放热结构还能实现可拆和替换等。

这新型颠覆性材料，不仅为航天器保驾护航，还能运用在空天飞机，以及高速飞行的其他飞行器上。不仅是颠覆性材料的运用，中国新一代载人飞船将会采用多项突破性技术， 首次采用国际上推力最大的新型单组元无毒推进系统，首次采用群伞气动减速和气囊着陆缓冲技术等等。

看到如此多的新型技术，也让我们一起期待2030年前中国的首次载人登月吧。

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