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飞船返回舱面临近2000℃高温,可能让生活中大部分常见的防热材料化为乌有
飞船在轨道上,每隔90分钟,就要经历零下120℃到零上120℃的温差,材料会热胀冷缩
“我们最大的心愿,就是未来的飞船能穿上我们研制的防热服,飞向更远的太空。”
守护飞船有我在
文 |《瞭望》新闻周刊记者 常清潭 张学峰
实习生 韦梦想
  2021年9月17日,搭载着3名航天员的神舟十二号飞船返回舱,安全降落在酒泉东风着陆场。当航天员从返回舱探出身来时,仔细观察,会发现返回舱外壳上有一层黑色的蜂窝状材料。虽然已经看不清原本的模样,它却是保护航天员生命安全的英雄。
  这种防热材料的背后,是中国运载火箭技术研究院工程师们的心血和智慧,方洲就是其中的年轻一员。
▲ 9月17日,神舟十二号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。这是航天员聂海胜(中)、刘伯明(右)、汤洪波安全顺利出舱。新华社记者 琚振华 摄
返回舱安全
  当神舟十二号载人飞船安全返回,方洲和中国运载火箭技术研究院工程师们一直悬着的心,也随之着陆了。
  “对我们来说,飞船返回比发射时更紧张。”方洲说。
  当神舟十二号以每秒7.9公里的速度进入地球大气层,与大气层强烈摩擦后,飞船返回舱表面的温度将近2000℃。与家用煤气灶将近600℃、火山岩浆将近1000℃的高温相比,飞船返回地球时遭遇的高温灼烤可能让生活中常见的防热材料化为乌有。而方洲和团队研制的材料,能够扛住高温,在飞船再入的九分钟里,保护航天员的生命安全,是当之无愧的护航英雄。
  为了将舱内温度维持在30℃以内,这种材料会在承受高温的过程中发生碳化、分解、升华等反应,从而带走大部分热量,保护返回舱内部结构。“材料发挥作用时,会产生红、白的碎片,从舷窗外划过,像流星在燃烧。”方洲说。
  飞船在轨道上,每隔90分钟,就要经历零下120℃到零上120℃的温差,材料会热胀冷缩。如果把防热材料和承力结构材料捆绑在一起,防热层就会开裂。因此,工程师们采用蜂窝骨架分散压力,使结构更简单,重量更轻,这让两者匹配的压力落在防热层研制上。
▲ 9月17日,神舟十二号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆。新华社记者 任军川 摄
  在研制时,工程师们采用大面积整体灌注工艺,把材料压到蜂窝里。这种做法的优点是一次成型而且用时短,但要研制出能够满足工艺要求的材料,就要一遍一遍地试验。
  燃烧自己,照亮他人,是这种材料的真实属性。在真正投入使用之前,已经有很多材料“牺牲”。神舟十二号飞船返回舱使用的H88和H96,就是历经了900多次试验后,得到的最优材料。方洲解释说,他们每制作一种材料就要进行编号,横坐标已经从A排到H,纵坐标则从1排到了99,“我们要不惜一切代价确保飞船安全”。
不带问题上天
  航天是个系统工程,牵一发动全身。
  “航天人最怕遇到归零。”方洲说,每一次归零都是一次艰巨任务,而且归零优先级很高,一旦归零,相关人员就要立刻停下手头的其他工作。
  归零是航天领域的术语,意思是一旦发现问题,就要从源头开始查找原因。它在航天领域已经成为及时纠错的制度,必须按照“定位准确、机理清楚、问题复现、措施有效、举一反三”的要求复盘,最终还要形成归零报告。整个过程不仅能帮助工程师们找到问题,还能增进对材料性能的认识。
  那个时候,方洲基本就是白天做试验、协调试验、开会,晚上补试验,写各种试验报告。有的试验,一做就是十几个小时,工程师们要一直盯着,等待试验结果,不能休息。“通宵加班这种辛苦还不算什么。压力更大的是,总担心发射任务会不会因为归零而推后”。
方洲在研制现场操作搅拌仪器 杨光子杰摄 
  外界看到的高端成品,就是在这样的高强度研究下诞生的。
  每一种飞船都有自己的弹道,根据其所面临的新的弹道和热力环境,工程师需要研究新的配方。在研制过程中,有时会用到一些现成的复合材料,他们也要测试性能,确保质量没问题。
  测试材料是否符合标准,烧蚀试验是必不可少的一个环节。方洲说,每一次试验,都是为了保证“不带问题上天”。
  “航天工作不是十拿九稳的事情,总要承担风险。”方洲说,“为了守护飞船,我们必须把风险降到最低。”
我属于航天
  “我感觉自己天生就是干这行的,我就应该属于航天。”方洲说。
  毕业于清华大学生物材料系的方洲,本应和航天关系甚远,但妙不可言的缘分把他留在了这个行业。
  大学毕业时,方洲没有明确的就业方向,看到中国运载火箭技术研究院的招聘广告,抱着试一试的心态投递了简历,没想到被录用了。
  刚进研究院,方洲发现,自己所掌握的理论知识和航天应用理论有很大的差别,他要从头开始恶补。“那时每天都很充实,时间过得很快”。
  在研究院学习的时候,方洲逐渐明白,工程师和科学家是有区别的,科学家探索前沿,打磨误差小于千分之一的细节。而工程师做工程,体量更大,讲求应用效果。在学校里,老师教会自己如何做科学家;而在研究院里,师父们教自己如何成为一名合格的工程师。
  来到研究院后,方洲被老一辈航天人身上的精神深深打动。很多航天人从事的工作保密性很强,他们甘愿为航天事业默默无闻地奉献一生。
  在研究院工作的每一天,都让方洲更加坚定从事航天事业的信念,“起初还不清楚以后是不是要一直做这行,现在明白自己的工作有不可替代的意义”。
  方洲说,从事航天事业之后,常常梦到自己成为航天员,坐在神舟飞船里,看到自己参与研制的材料圆满完成使命,化作碎片飘落在空中,倍感自豪,“梦里的愉悦也让我带到工作中,每天都抱着这种期望去研制材料”。
  神舟十二号飞船顺利返回,方洲的新任务又开始了,要对其防热层进行取样分析。毕竟经历过了真实飞行环境,这种“飞”回来的数据尤其珍贵,对研制新材料具有重要意义。
  眼下摆在方洲和同事们面前的,还有一块硬骨头,就是研制深空探测使用的新型防热材料。相对于神舟飞船来说,深空探测的飞船会面临更大的温差和更长时间的空间辐射。这是个不小的挑战。但方洲对团队充满信心:“我们最大的心愿,就是未来的飞船能穿上我们研制的防热服,飞向更远的太空。”LW
刊于《瞭望》2021年第40-41期
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总监制 | 史湘洲
监 制 | 杨越
编 辑 | 喻千桓

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