強(qiáng)烈的摩擦使飛船表面的溫度高達(dá)2000度以上，

整個(gè)載入過程有530秒。

但是神舟飛船里面是有航天員的，

所以里面的溫度不能超過30度，

這就需要一種高效的熱防護(hù)材料。

今天我要給大家介紹一種材料——低密度燒蝕防熱材料，這個(gè)材料是干什么用的呢？

這個(gè)材料可以承受2000度的高溫，保護(hù)神舟飛船平安回家。

神舟飛船的防熱材料

已完成：10% //////////

飛船再入大氣的時(shí)候速度有7.8公里/秒，這個(gè)速度有多快呢？我們從北京到天津，乘坐高鐵需要30分鐘，但如果我們乘坐的是神舟飛船，只需要15秒。

我們的材料最終用的是蜂窩增強(qiáng)低密度材料。就像圖片中展示的這樣，它是不是特別像蜜蜂窩？這就是它名字的由來。

飛船在很高的速度下，表面溫度會非常高，大氣層和飛船表面會產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的摩擦作用。強(qiáng)烈的摩擦使飛船表面的溫度高達(dá)2000度以上，整個(gè)載入過程有530秒。

但是神舟飛船里面是有航天員的，所以里面的溫度不能超過30度，這就需要一種高效的熱防護(hù)材料，就是這種材料了。

這個(gè)材料在高溫的過程中會發(fā)生分解、抗化、升華一系列的吸熱反應(yīng)，從而帶走大量的熱量，保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

大家這樣聽起來是不是特別像蠟燭？燃燒自己，照亮別人。實(shí)際上我們這個(gè)材料要悲壯得多。

據(jù)航天員回憶說，高溫把舷窗外燒得一片通紅，緊接著在通紅的窗外，紅的、白的碎片不停地滑過，這就是我們材料工作時(shí)的樣子。

那這個(gè)材料這么好，能不能用于民用？目前來說是沒有的，但是我姐夫這個(gè)人特別敢想敢做。

他有一天打電話問我說：“小妹，我在博物館里面看到你們的飛船了，你們的飛船表面燒得像一個(gè)黑鍋一樣。但是我看到下面有名牌標(biāo)識，說可以使用溫度達(dá)2000多度。最近我剛接了一個(gè)項(xiàng)目做鍋爐的防熱，你們這個(gè)材料這么好，能不能用在我這上面？”

我聽了以后，覺得這個(gè)鍋爐和飛船差別太大了，但是我還是想回答一下這個(gè)問題。

我說：“感覺這個(gè)材料不太適合你們，我們這個(gè)燒蝕材料，是一次性的，只有530秒。你這個(gè)鍋爐是長年累月地用，怎么也得幾年換一次材料吧。再說，我們這個(gè)材料挺貴的，要8000塊錢一公斤?！?/p>

他說：“啥？你們這個(gè)材料這么貴，只能用這么短的時(shí)間？”然后匆忙打斷了我的話。

我心里挺難受的，想為我的材料叫屈。這個(gè)材料明明國際領(lǐng)先，而且拿過很多大獎。但是我想了想，這可能是一個(gè)個(gè)例，就沒有太往心里去。

過了一段時(shí)間，我參加了一個(gè)包含很多部門的協(xié)調(diào)會。我所在的部門是一個(gè)材料成型部門，負(fù)責(zé)出材料、出構(gòu)件、出產(chǎn)品。

我的上游是一個(gè)結(jié)構(gòu)方系統(tǒng)部門，他們是專門負(fù)責(zé)把一個(gè)總體的條件轉(zhuǎn)化成材料的指標(biāo)要求提給我們，是我們的甲方。

于是在會議間歇，我問：“你們大學(xué)時(shí)學(xué)的是什么專業(yè)呀？”他說學(xué)的是熱能與動力工程，他看見我對這個(gè)沒有什么反應(yīng)，他就補(bǔ)充說這個(gè)專業(yè)是燒鍋爐的。

既然如此，我覺得需要認(rèn)真地把鍋爐用隔熱材料和神舟飛船用防熱材料來做一個(gè)對比。

一般來說，我們接到任何一個(gè)防熱產(chǎn)品任務(wù)的時(shí)候，都要看它的使用環(huán)境要求。

比如這個(gè)鍋爐，它的使用環(huán)境是550度的蒸汽溫度，它想使用隔熱材料的目的是降低熱損耗，那么就可以用一些輕質(zhì)的隔熱氈材料。

我在淘寶上搜了一下，這個(gè)材料挺多的，最便宜的才5塊錢一公斤，怪不得我姐夫聽到8000塊錢的報(bào)價(jià)很咂舌。

這個(gè)鍋爐有一個(gè)最大的好處，它是放在地面上的，它不受重量和空間的限制。也就是說，如果我想讓它的防熱效率更高，隔熱效率更高，就可以多糊幾層防熱材料。

就好比說我們冬天覺得很冷，如果經(jīng)濟(jì)條件不太好，多穿幾層也可以御寒，不一定非得穿得輕薄還保暖，但是非常貴的衣服。

但神舟飛船就不一樣了，它使用的環(huán)境溫度有2000多度，它對重量要求非?？量獭＿@是為什么呢？

以價(jià)格取勝的民用航天公司Space X公司，對它研制的獵鷹9號火箭的單發(fā)報(bào)價(jià)是5400萬美元，如果加上龍飛船，單發(fā)報(bào)價(jià)是1.33億美元。

飛船防熱材料占整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重量的45%，如果我們把這個(gè)防熱材料的密度降低10%，就可以節(jié)約出58公斤的重量，相當(dāng)于一個(gè)航天員的重量。所以減重是非常有必要的，即使它的代價(jià)是8000塊錢每公斤，依舊非常劃算。

除了減重以外，我們還要考慮飛船一些其他應(yīng)用空間的環(huán)境問題。雖然我們這個(gè)材料最終使用的時(shí)間只有最后10分鐘，但是前期要經(jīng)歷一個(gè)空間環(huán)境，就是在軌道上。

我們?nèi)祟惙浅Ｐ疫\(yùn)，在地球上待著，因?yàn)橛写髿鈱拥谋Ｗo(hù)，所以一年四季的溫差，也就是零下20多度到零上30度的樣子，一天內(nèi)的溫度差也不會特別大。

但是在軌道上就沒有這么幸運(yùn)了。軌道的溫度變化范圍是零下120度到零上120度，神舟飛船在上面每90分鐘，就要經(jīng)歷這樣一個(gè)高低溫交變循環(huán)。

任何材料都是會發(fā)生熱脹冷縮的，而每種材料的膨脹收縮率又不一樣。如果把防熱材料和里面的承力結(jié)構(gòu)材料硬捆在一起，又不做任何處理，應(yīng)力就足以使防熱層開裂，那么后續(xù)返回的時(shí)候就會發(fā)生不能想象的后果了。

美國的阿波羅飛船是怎么解決這個(gè)問題的呢？它在防熱層和承力層之間又加了滑動桁條，用來補(bǔ)償這兩者之間的不匹配。

但是神舟飛船不是這樣做的，它就是把防熱層直接粘接在承力層殼體上。這樣的話結(jié)構(gòu)更簡單，重量也更輕，但問題是使兩者匹配的壓力全部都落在了防熱層研制上。

上圖中美麗的照片是航天員通過舷窗拍攝的地球的照片。舷窗是航天員觀察飛船狀態(tài)，進(jìn)行一系列空間科學(xué)試驗(yàn)非常重要的窗口，但是揮發(fā)分會使這個(gè)窗口看不清楚，就像汽車玻璃起霧結(jié)冰那樣。

水在地球上是液態(tài)的，但是在太空這個(gè)真空環(huán)境中，它就會汽化。也就是說，地球上很多這種液態(tài)的低分子的化合物，它在太空中都會汽化，我們這個(gè)防熱材料就必須避免這個(gè)現(xiàn)象。

防熱材料的成型過程

已完成：40% //////////

前面說了我們這個(gè)材料是蜂窩增強(qiáng)的形式，那這個(gè)材料是怎么成型出來的？

美國是單孔灌注技術(shù)。從阿波羅飛船開始，一直到2010年新的獵戶座大底，一直都是用這個(gè)方法。

上圖中即是獵戶座大底，直徑有5米，每一個(gè)蜂窩的內(nèi)徑只有6毫米。

這個(gè)大底上密布了33萬個(gè)蜂窩，成型的時(shí)候如圖中站一圈人，圍著這個(gè)大底，一人拿一個(gè)灌注槍，一個(gè)一個(gè)進(jìn)行灌注，最后這個(gè)大底用了差不多5個(gè)月的時(shí)間才完成灌注。

但是我們沒有用這樣的方法，我們用的是一個(gè)熱壓罐設(shè)備。通過這個(gè)設(shè)備我們把材料整齊碼放在蜂窩格子的上部，并在上面糊上一個(gè)真空帶。

整個(gè)體系里面抽著真空，外面再通過設(shè)備對它進(jìn)行加壓，通過內(nèi)外壓差，就讓材料整體壓到了蜂窩里。

這個(gè)工藝非常簡單，它還有一個(gè)好處。即無論這個(gè)產(chǎn)品的尺寸有多大，只需要選用一個(gè)相應(yīng)尺寸的熱壓罐，就可以一次成型，整個(gè)過程前后不會超過8個(gè)小時(shí)。

看到這里大家可能會覺得美國人還挺傻，比我們中國人落后這么多。

其實(shí)不是，這個(gè)工藝本身并不稀奇，關(guān)鍵是怎么讓物料滿足工藝的使用要求，如在灌注前可以整齊碼放，灌注以后又可以均勻的填充在蜂窩格子里。

我們梳理了一下像這樣的條件，有20多項(xiàng)，同時(shí)滿足這20多個(gè)條件難度是很大的，最終神舟飛船用的H88和H96這兩種材料。

大家有沒有覺得H88、H96，這兩個(gè)材料的命名好奇怪。

是這樣的，雖然有很多的理論與研究基礎(chǔ)，但是這個(gè)材料的配方依舊需要大量的試驗(yàn)才能得出來。

我們科研人員要對這些材料進(jìn)行編號，橫坐標(biāo)是ABCD這樣的字母，縱坐標(biāo)是1到99這樣的數(shù)字。這樣下來，一個(gè)正交矩陣，差不多也有八九百個(gè)配方。在這么多配方里，H88和H96滿足了所有性能的要求。

我剛接到這個(gè)演講任務(wù)時(shí)，大家都讓我講講神舟飛船背后的故事，其實(shí)我不是很有底氣。因?yàn)槲覀冞@個(gè)材料研制得很早，1986年的時(shí)候就開始研制了。

1986年的時(shí)候我們做了一個(gè)863課題，然后在1992年的時(shí)候通過了載人飛船的專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，接著經(jīng)過十年的技術(shù)積累，在1999年的時(shí)候取得了首飛成功。之后在2003年的時(shí)候，神舟載人飛船首發(fā)成功之后，我們這個(gè)材料基本上就定型了，再沒有什么變化。

直到2011年在探月工程的牽引下，我們才開始了新材料的研制，2014年返回艙也取得了首飛成功。

那這么長的時(shí)間我在干什么？1986年的時(shí)候我還是一個(gè)胚胎，沒有出生。1992年到1999年，神舟飛船的研制如火如荼的時(shí)候，我正在上小學(xué)。

好不容易開始研究新材料了，2011年我剛?cè)プx博士。好不容易等到我參加工作了，我們新的小飛船又飛行成功了，所以我不好意思在這兒講神舟飛船背后的故事。

好在我當(dāng)時(shí)讀的是化學(xué)博士，經(jīng)過了長期的科研訓(xùn)練的積累。我最擅長干的事情就是挖掘數(shù)據(jù)，對著這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，編一個(gè)故事，發(fā)一篇文章。于是我就對著這個(gè)時(shí)間軸好好的分析了一下，還真發(fā)現(xiàn)了有一個(gè)故事。

1986年的時(shí)候，我們這個(gè)材料就像一個(gè)還沒有出生的嬰兒，正在孕育之中。

等到1992年到1999年，它也像一個(gè)小學(xué)生一樣朝氣蓬勃。經(jīng)過神舟1號到神舟11號這樣一個(gè)研制定型的過程，這個(gè)材料逐漸走向了成熟。

等到2011年探月工程牽引的時(shí)候，恰恰就像一個(gè)博士生，把它之前的基礎(chǔ)知識做了一個(gè)總結(jié)和積累，向更深、更尖端的地方去挖掘研究。

我的生命和這個(gè)材料有這樣的聯(lián)系，讓我感到非常榮幸。下面我就想把自己親身經(jīng)歷的一個(gè)故事分享給大家。

在2014年我剛剛參加工作的時(shí)候，突然被通知我們交付的探月三期的返回艙隨爐試驗(yàn)件燒蝕發(fā)生了異常。我們課題組和所里的相關(guān)部門立馬進(jìn)入了一種緊張狀態(tài)。

為什么會緊張？首先我跟大家解釋一下什么叫隨爐。隨爐即對于任何產(chǎn)品，我們在最終飛行返回的時(shí)候都想證明它是合格的。但是又不能直接拿這個(gè)產(chǎn)品去做試驗(yàn)，就只好用相同的原材料跟著返回艙的產(chǎn)品一起制作，經(jīng)歷一個(gè)同樣的歷程、同樣的環(huán)境。有的干脆就是從一個(gè)爐子里燒出來的，所以它叫隨爐。

隨爐的性能即代表產(chǎn)品的性能。當(dāng)時(shí)有三件隨爐發(fā)生了燒蝕異常，基本上就可以說我們這個(gè)產(chǎn)品燒蝕也是有異常的。

那燒蝕有異常，會有什么嚴(yán)重的后果呢？

我們航天史上有一個(gè)特別著名的事故。2003年2月1號，哥倫比亞航天飛機(jī)在返回過程中解體爆炸，7名航天員全部喪生。

事故分析得出的原因就是因?yàn)楹教祜w機(jī)的左翼前緣的防熱材料隔熱瓦上面有一個(gè)缺陷。這下大家理解為什么我們這么緊張了吧，那怎么辦呢？我們就歸零。

歸零是非常有航天特色的，它是一個(gè)快速解決問題和處理問題的捷徑。歸零的意思，是從頭開始查找原因。我們就從原材料，從原材料的原材料開始查。

后來梳理了很多工藝過程，最終鎖定了兩個(gè)異?，F(xiàn)象。

一個(gè)是灌注當(dāng)天的時(shí)候熱壓罐設(shè)備突然壞了，經(jīng)過搶修，也比正常的時(shí)間晚了6個(gè)小時(shí)進(jìn)行灌注。還有當(dāng)天是夏天，又剛好下過雨，即使廠房是有空調(diào)的，依舊是一個(gè)高溫高濕環(huán)境。

兩個(gè)問題疊加在一起會怎么樣呢？

我們就進(jìn)行了機(jī)理分析，建立了一套體系，從溫濕度環(huán)境到樹脂的黏度、材料的流變行為、灌注時(shí)間、材料的微觀形貌，再到宏觀燒蝕的行為。

這一整套做下來，我覺得問題可以就這么結(jié)束了，但是沒有。我一直覺得這個(gè)過程下面要進(jìn)行的環(huán)節(jié)特別絕。

既然問題已經(jīng)找到了，機(jī)理已經(jīng)分析透了，那就應(yīng)該能用這個(gè)錯誤的方法，再復(fù)現(xiàn)出同樣的故障。所以，只有經(jīng)過問題復(fù)現(xiàn)，我們才可以說這個(gè)問題確實(shí)定位準(zhǔn)確，機(jī)理也認(rèn)識到了。只有這樣才可以去判斷現(xiàn)在的這個(gè)產(chǎn)品應(yīng)該怎么辦，以后的產(chǎn)品又該怎么辦。

所以我們又做了其他的試驗(yàn)來證明這個(gè)產(chǎn)品其實(shí)可以用，但是由于專業(yè)和時(shí)間的關(guān)系，我就不在這里展開。

那么歸零結(jié)束了嗎？沒有。下面是它的第二絕，叫舉一反三。我們說是大底上的一個(gè)材料發(fā)生了這個(gè)問題，那其他的四種材料有沒有問題呢？

它沒有問題也不代表沒有隱患，所以也要做前面一樣的工作，并連帶著神舟飛船的兩種材料也做了相同的工作。

我覺得這特別燒腦袋，因?yàn)檫壿嬏珖?yán)謹(jǐn)，而且工作量也很大。我做這個(gè)工作需要多長時(shí)間呢？1個(gè)月？有點(diǎn)太長了。3天？會把我累死。

事實(shí)上我們這個(gè)工作是3個(gè)人，花了3個(gè)禮拜的時(shí)間來做的，而且我們白天的工作是不能中斷的。當(dāng)時(shí)的節(jié)奏就是白天做試驗(yàn)、協(xié)調(diào)試驗(yàn)、開會，晚上補(bǔ)試驗(yàn)，寫各種試驗(yàn)報(bào)告。

我們感覺特別累，經(jīng)常晚上11點(diǎn)以后才回家，沒有周末，偶爾還要通宵。肉體的痛苦還不算什么，關(guān)鍵是精神壓力也很大。

因?yàn)楫?dāng)時(shí)我們的產(chǎn)品已經(jīng)去總裝了，難道國家的發(fā)射任務(wù)要因?yàn)槲覀兺坪髥幔炕蛘哌@個(gè)產(chǎn)品到底能不能用？很多人都等著這份歸零報(bào)告做決策。

我當(dāng)時(shí)剛剛參加工作，這個(gè)情況把我給嚇壞了。

其實(shí)我想了一下，一個(gè)材料從材料研制再到用于產(chǎn)品的初樣、試樣、定型階段，要經(jīng)過很多材料的研制，還要通過多層次的質(zhì)量評審，其實(shí)要經(jīng)過很多人的手。我做的這個(gè)工作只不過是其中一個(gè)非常非常小的點(diǎn)。

航天人的堅(jiān)守

已完成：80% //////////

所以我在這里工作的時(shí)間越久，知道的越多，做的越多，我越會覺得自己非常的渺小，也懂得謙卑。再加上跟我的前輩比起來，我這點(diǎn)根本不算什么。

圖中是我的師傅凌英，她22歲那年來到組里，1988年正好趕上了863課題，從此和神舟結(jié)緣。

緊接著從神舟1號到神舟11號，她都是這個(gè)產(chǎn)品的工藝主崗，在這個(gè)崗位上待了30多年，這其實(shí)是不可思議的一件事情。

因?yàn)閺娜魏我粋€(gè)人的職業(yè)生涯規(guī)劃來講，一直待在一個(gè)地方不升遷，是不正常的。

而且就算不升遷，她也不應(yīng)該在一線最苦的地方待著，她經(jīng)常自嘲說是因?yàn)樗龥]有本事轉(zhuǎn)崗，其實(shí)我們都知道這是她個(gè)人的選擇。

上圖右在我?guī)煾蹬赃叺膬晌皇羌寄苋藛T，左邊這位是秦德輝，右面這位是蔣書平，飛船是實(shí)打?qū)嵏沙鰜淼?，離不開這樣可愛的大國工匠。

飛船的成型工藝非常復(fù)雜，雖然有很多的工藝文件資料流傳下來，但如果沒有他們手把手地去教，是很難做到精準(zhǔn)傳承的。

正是有他們?nèi)贿@樣的人愿意一直在一線默默地奉獻(xiàn)付出，成就了神舟飛船防熱材料的高可靠性。

上面這兩張圖片見證了神舟飛船30年，歲月也在他們?nèi)齻€(gè)人身上留下了痕跡，在這里我要向他們表達(dá)敬意！

上圖中俄德檔案是材料研制的檔案，我只是拿了一個(gè)檔案盒，把所有的都展開，而像這樣的檔案盒有30多個(gè)。

翻開每一個(gè)檔案，會發(fā)現(xiàn)這里面很多的檔案都是手寫的。

上圖中的是用座標(biāo)紙畫的。

上圖中的是用卡片相機(jī)拍出來，然后再粘貼到報(bào)告上的。那時(shí)候研制任務(wù)本來就很緊，但是科研人員還是要花時(shí)間、精力，把這些報(bào)告整理出來。

那時(shí)候電腦也不是很普及，不像現(xiàn)在粘貼剪接那么方便，所以他們每修改一稿，都需要從頭到尾把這個(gè)報(bào)告抄一遍。

這也是有時(shí)候我去問我的師傅當(dāng)時(shí)研制的細(xì)節(jié)，她都記得特別清楚的一個(gè)原因，因?yàn)樗扛宥汲撕枚啾榱恕?/p>

我每次去看這些檔案的時(shí)候，心里面都有一些別樣的情愫。因?yàn)檫@些檔案既客觀記錄了這個(gè)材料，當(dāng)時(shí)900多個(gè)配方研制的目的和結(jié)果，同時(shí)也默默訴說著科研人員的辛勞。

所以，這既是一個(gè)科技檔案，也是一種寶貴的精神財(cái)富。

最后，我想用一首詩作為結(jié)尾，“蒼穹劃破，光耀九州寰宇；風(fēng)華燃盡，守護(hù)神舟歸來”。

按照套路，我這個(gè)演講應(yīng)該在這個(gè)氣勢磅礴的詩句中就結(jié)束了，但是我想給大家解釋一下這個(gè)詩是什么意思。

這個(gè)詩是我們?nèi)M人一塊兒寫的，上半句指的是這個(gè)材料工作時(shí)的一種現(xiàn)象，下半句解釋的是這個(gè)材料工作的原理和工作的目的。

同時(shí)這首詩一語雙關(guān)，上半句展現(xiàn)的是我們航天的魄力，下半句展現(xiàn)的是我們航天人的堅(jiān)守和航天人堅(jiān)守的意義。

謝謝大家。

作者：羅麗娟 

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院高級工程師

文章和演講僅代表作者觀點(diǎn)。

蘇州鴻贊蜂窩材料有限公司源于1957年創(chuàng)建的荷蘭貝森集團(tuán)，是輕量化的蜂窩芯材制造商之一。公司自成立以來，一直致力于蜂窩技術(shù)的發(fā)展和研究，從蜂窩芯到蜂窩復(fù)合板，再到以蜂窩板為解決方案的成品，如全鋁蜂窩板車廂體，激光電視/投影屏幕，軌道交通，工程建筑等。我們始終以持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新為根基，不斷升級、拓展蜂窩芯材料的應(yīng)用范圍和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，成為各應(yīng)用行業(yè)內(nèi)蜂窩芯系統(tǒng)解決方案的選擇企業(yè)!

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