# 火星探測器材料選擇標(biāo)準(zhǔn)摘要，火星探測器材料需滿足極端環(huán)境要求，包括耐高低溫交變、抗沖擊、輕量化及化學(xué)穩(wěn)定性等，在溫度方面，火星表面晝夜溫差可達(dá)200℃（白天20℃，夜晚-150℃），且探測器需承受穿越大氣層時的瞬時高溫（與大氣摩擦生熱），材料需具備寬溫域性能穩(wěn)定性，輕量化是核心指標(biāo)之一，例如河南能源化工集團(tuán)研發(fā)的隔熱材料通過工藝優(yōu)化將密度控制在6-7千克/立方米，較常規(guī)產(chǎn)品減重30%，顯著降低發(fā)射成本。，高強(qiáng)度與抗沖擊能力是材料的另一關(guān)鍵特性，Toray復(fù)合材料被用于火星探測器防熱罩、降落平臺及直升機(jī)結(jié)構(gòu)支撐，確保穿越大氣層及著陸過程中的安全性，金屬基復(fù)合材料（如SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料）因兼具高導(dǎo)熱性、尺寸穩(wěn)定性和輕量化特點，被應(yīng)用于“天問一號”關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，保障高精度運(yùn)行。，功能型復(fù)合材料的研發(fā)成為重點，例如形狀記憶聚合物智能材料可適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境變化，而SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在極端溫度下仍保持結(jié)構(gòu)完整性，為探測器長期穩(wěn)定工作提供技術(shù)支撐。

火星探測器材料選擇的一般標(biāo)準(zhǔn)

• 適應(yīng)極端溫度環(huán)境
  • 火星表面溫度變化極大，例如天問一號火星探測器和火星車使用的納米氣凝膠，能在極熱和極寒兩種嚴(yán)酷環(huán)境下，保證工作平臺正常工作，不受環(huán)境溫度影響，這種材料可以讓探測器在火星的溫度環(huán)境下正常運(yùn)行而不會因為溫度變化產(chǎn)生損壞或者性能下降等問題。
• 輕質(zhì)化
  • 為了減少發(fā)射成本和提高探測器的性能，材料需要輕質(zhì)。如天問一號使用的超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)燒蝕防熱材料，密度約為0.36克/立方厘米，每平方米可承受1.5兆瓦的熱流環(huán)境，在保證防熱等功能的同時減輕了探測器重量；連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱材料，密度約為0.9克/立方厘米，相對傳統(tǒng)材料也具有輕質(zhì)化特點，且兼顧耐燒蝕和承載能力，通過使用三元長纖維組成的SPQ纖維布增強(qiáng)體系和引入輕質(zhì)填料到預(yù)浸料中的方式實現(xiàn)輕質(zhì)化；超輕質(zhì)燒蝕防熱涂層材料，密度僅為0.28克/立方厘米左右，不僅隔熱性能優(yōu)良，也能給著陸器減重。
• 具備良好的防熱性能
  • 火星探測器在進(jìn)入火星大氣層時會面臨高溫環(huán)境，需要防熱材料。例如超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)燒蝕防熱材料，它是經(jīng)過配方優(yōu)化設(shè)計的新型材料，與前輩相比密度更低、防熱效率更高，可以根據(jù)承受的氣動載荷分布進(jìn)行變厚度優(yōu)化設(shè)計，保證探測器拐角部位能夠耐受更嚴(yán)苛的氣動載荷的情況下，讓整個結(jié)構(gòu)的材料更加輕質(zhì)化，探測器大底結(jié)構(gòu)可耐受火星大氣以CO?為主的特殊氣氛氣動加熱。
  • 連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱結(jié)構(gòu)一體化材料，用于探測器大底及背罩防熱結(jié)構(gòu)的艙蓋、封邊環(huán)、埋件、螺塞等零部件，強(qiáng)度更高，兼顧耐燒蝕和承載能力。
  • 超輕質(zhì)燒蝕防熱涂層材料，隔熱性能優(yōu)良，用于背罩結(jié)構(gòu)（其受到的熱流相對探測器大底更低）的防熱，密度低至0.28克/立方厘米左右，熱導(dǎo)率低至約0.06瓦每米開，減輕著陸器重量的同時實現(xiàn)有效防熱。
• 高強(qiáng)度和剛性
  • 新型SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料構(gòu)件重量輕、強(qiáng)度高、剛性好、寬溫度范圍下尺寸穩(wěn)定，助力天問一號開展火星探測，在天問一號上成功應(yīng)用并交付30余件，滿足火星探測任務(wù)需求的同時也保障了關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性等要求。
• 結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性
  • 在火星探測器飛向火星的長時間（長達(dá)8個月）飛行過程中，由于軌道以及距離太陽遠(yuǎn)近的變化，防熱材料要承受極低的溫度以及高低溫度循環(huán)交變，材料容易出現(xiàn)開裂、脫落等問題，所以需要材料之間以及材料與著陸器內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持良好的結(jié)構(gòu)熱匹配性和完整性。研發(fā)團(tuán)隊通過工程計算、數(shù)值模擬及必要的地面試驗等方法，確保材料的匹配性和完整性，像天問一號的三種防熱材料（超輕質(zhì)蜂窩增強(qiáng)燒蝕防熱材料、連續(xù)纖維增強(qiáng)中密度防熱材料、超輕質(zhì)燒蝕防熱涂層材料）就能在這樣的條件下協(xié)同作戰(zhàn)，保障探測器安全抵達(dá)和順利著陸。

火星探測器材料耐熱極限

火星探測器重量控制技術(shù)

火星探測器材料抗輻射能力

火星探測器材料研發(fā)趨勢