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哈尔滨工业大学研究成果成功应用于新一代载人飞船
2020-05-10 11:03:00
哈尔滨工业大学
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  近日,中国新一代载人飞船试验船返回舱在东风着陆场预定区域成功着陆,试验取得圆满成功。哈工大新型防热材料等研究成果在载人飞船上成功应用,建校100周年专属物品也搭乘载人飞船遨游太空后返回。

  产学研融合 哈工大和北京卫星制造厂有限公司联合研发新型防热材料 保障载人飞船试验船成功返航

  新一代载人飞船试验船热防护系统首次采用哈工大与北京卫星制造厂有限公司联合研发的新型超轻质低烧蚀防隔热一体化复合材料技术方案,与传统AVCOAT材料相比,整体减重30%以上,防热效率大幅提升,有效载荷明显提高。热防护系统承受住了再入返回过程中最高2000℃以上的高温烧蚀,保障了返回舱的成功返航,为我国更高效、安全、经济地开展载人深空探测、近地空间站运营打下了坚实基础。

  热防护技术是应用于深空探测飞行器、高超声速飞行器等重大战略需求的关键技术之一,轻量化、强韧化、抗烧蚀、耐超高温是热防护系统研究的焦点。新一代载人飞船要求具备第二宇宙速度返回能力,同时承载更大的有效载荷,对返回舱在热防护系统轻量化、防隔热、气动外形保持和长时间服役能力等方面提出了更为苛刻的要求。

  围绕新一代载人飞船对热防护系统的迫切需求,航天学院复合材料与结构研究所杜善义院士提出“轻是基础,热是关键”的指导思想以及“理工结合,服务航天”的发展理念。多年来,韩杰才院士、张幸红教授团队在超高温热防护材料领域集智创新,深耕细作,解决了载人飞船在大热流、高冲刷和长时间再入环境下超轻质低烧蚀防隔热一体化复合材料的多尺度-多级次构筑、有机无机杂化高效防隔热微结构精确调控机制、烧蚀维形机理宏微观预报等基础科学问题。哈工大与北京卫星制造厂有限公司大力协同,联合攻关,突破了纤维织物增强体空间分布优化、纳米多孔结构控制、原位陶瓷复合抗氧化烧蚀、近室温快速低成本仿形制备等关键技术,形成了超轻质低烧蚀防隔热一体化复合材料与结构的完整理论体系和技术方案。防热材料的耐温性能和抗烧蚀性能等关键性能指标达到了国际先进水平,强韧化性能优于国际同类材料水平。

  在中国空间技术研究院载人航天总体部和空间飞行器总体设计部的任务牵引和指导下,哈工大与北京卫星制造厂有限公司产学研深度融合、通力协作,哈工大研究团队张幸红教授和洪长青教授等多次往返航天院所和试验考核验证单位,经历百余次防热复合材料的优化设计、筛选、研讨论证、试验考核验证直至方案最终确定,历经12年,参与和见证了新型热防护材料体系从无到有、性能由弱变强的研发过程。双方合作研发成果及时得到工程化应用,成功实现了超大尺寸三维异形编织物整体成型防热大底等防热结构制造,建立了相关热防护材料工艺规范、评价体系和质量标准。相关研究获得载人航天预研、国防科工局基础科研、北京卫星制造厂有限公司委托协作以及国家自然科学基金等项目的资助。

  新一代载人飞船是面向我国近地空间站运营、载人月球探测等任务需求而论证的新型天地往返运输飞行器,是落实习近平总书记“发展航天事业,建设航天强国”重要指示的最新成就。新型低密度高性能热防护系统的成功研发,树立了航天企业、高等院校和科研院所之间产学研合作与应用的典范,有效解决了新一代载人飞船再入大气层时的热防护关键难题,显著增强了我国进入、控制和利用空间的能力,在未来的空间资源开发和利用中将发挥重要作用。

  新一代载人飞船试验船气动参数测量技术成功应用

  哈工大作为新一代载人飞船试验船气动参数测量的总体单位,针对总体需求研制并提供了4种共50余台套专用飞行测试设备,用于测量返回舱大底和侧壁表面特征点的压力和温度。据公开报道,试验船飞行试验任务圆满成功,“获取了返回舱高速再入过程中的气动力和热特性参数”,通过测量数据的分析与计算,将为新一代载人飞船的研制优化提供重要参考。

  航天学院孟松鹤教授团队长期从事热防护结构性能表征与评价研究,提出了高超声速飞行器气动环境参数与结构关键响应信息飞行测试新技术,解决了小型化、轻量化与热匹配等难题,研制了多种飞行测试设备,在高热流、长时间外壁热流密度测试、热流与压力复合测试、典型烧蚀热防护结构的气动环境与材料耦合响应信息获取等方面开展了开创性工作,获得了载人航天工程科研生产单位资格。2012年以来为多个型号任务提供了测试方案和设备,已圆满完成了10次飞行测试任务,还将为我国首次火星探测任务——“天问-1号”提供相关技术支持。

  建校百年专属物品搭载新一代载人飞船遨游太空

  多年来哈工大始终与中国航天事业发展同频共振。值此建校百年之际,为加强哈工大与中国航天之间的密切关系,突出学校服务航天的办学特色,建校100周年专属物品搭载新一代载人飞船试验船遨游太空。搭载物品包括取自哈尔滨、威海和深圳一校三区的土壤;采用航天铝基复合材料,经过学校专门工艺雕刻制成的学校校徽、校名和百年校庆标识图案的印章膜片;题为《致未来——写给2050年的学弟学妹》——当代哈工大学子写给未来学弟学妹的一封信。这些搭载物品将在学校相关活动中应用,并将收藏于学校航天馆。

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