神舟飞船530秒的背后，隐藏着用15年研制的900个秘方…

出品："SELF格致论道讲坛"民众号（ID：SELFtalks）

以下内容为中国运载火箭技术研究院罗丽娟演讲实录：

大家好！我是罗丽娟，来自中国运载火箭技术研究院航天质料及工艺研究所。我今天要给大家先容一种质料，这个质料的名字叫低密度烧蚀防热质料，这个质料是干什么用的呢？我想请大家先看一段视频。

这是神舟飞船。我为大家先容的正是它的防热质料，这个质料可以蒙受2000度的高温，掩护神舟飞船平安回家。飞船再入大气的时候速度有7.8公里/秒，这个速度有多快呢？我们从北京到天津，乘坐高铁需要30分钟，如果我们乘坐的是神舟飞船，只需要15秒。

我们这个质料最终用的是蜂窝增强低密度质料，就像图片中展示的这样，它是不是特别像蜜蜂窝，这就是它名字的由来。在飞船很高的速度下，外貌温度很是高，大气层和飞船外貌会发生很是强烈的摩擦作用。

强烈的摩擦使飞船外貌的温度高达2000度以上，整个载入历程有530秒。可是神舟飞船内里是有航天员的，内里的温度不能凌驾30度，这就需要一种高效的热防护质料，就是这种质料了。

这个质料在高温的历程中会发生剖析、抗化、升华一系列的吸热反映，从而带走大量的热量，掩护内部结构。大家这样听起来是不是特别像蜡烛？燃烧自己，照亮别人，实际上我们这个质料要悲壮得多。据航天员回忆说，高温把舷窗外烧得一片通红，紧接着在通红的窗外，红的、白的碎片不停的滑过，这就是我们质料事情时的样子。

这个质料这么好，能不能用于民用？现在来说是没有的。可是我姐夫这小我私家特别敢想敢做，他有一天打电话问我说：“小妹，我在博物馆内里看到你们的飞船了，你们的飞船外貌烧得像一个黑锅一样。可是我看到下面有名牌标识，说可以使用温度有2000度，最近我刚刚接了一个项目，可以做锅炉的防热。你们这个质料这么好，能不能用在我这上面？”

我听了以后，以为这个锅炉和飞船差异太大了，可是我还是想回覆下这个问题，我说：“感受这个质料不太适合你们，我们这个质料烧蚀质料，是一次性使用的，只有530秒。你这个锅炉是长年累月的用，怎么着也得几年换一次质料。再说，我们这个质料挺贵的，要8000块钱一公斤。”他说：“啥？你们这个质料这么贵，只能用这么短的时间？”

我为我的质料叫屈，这个质料明显国际领先，而且拿过许多大奖。可是我想了想，这可能是一个个例，就没有太往心里去。过了一段时间，我到场许多部门的协调会，我所在的部门是一个质料成型部门，出质料、出构件、生产品。我的上游是一个结构方系统部门，他们是专门卖力把一个总体的条件转化成质料的指标要求提给我们，是我们的甲方。

这个集会间歇，我问：“你们大学里学的是什么专业？”他说大学学的是热能与动力工程，他瞥见我对这个没有什么反映，他就增补说这个专业是烧锅炉的。

好吧，既然如此，我以为需要认真的把锅炉用隔热质料和神舟飞船用防热质料来做一个对比。一般来说，我们接到任何一个防热产物任务的时候，都要看它的使用情况要求。

好比这个锅炉，它的使用情况是550度的蒸汽温度，它想使用隔热质料的目的是降低热损耗，那么我们就可以用一些轻质的隔热毡质料。我在淘宝上搜了一下，这个质料挺多的，最自制的才5块钱一公斤，怪不得我姐夫听到8000块钱的报价很咂舌。

这个锅炉有一个最大的利益，它是放在地面上的，它不受重量和空间的限制。也就是说，如果我想让它的防热效率更高，隔热效率换衣高，就可以多糊几层防热质料。就好比说我们冬天以为很冷，如果经济条件不太好，多穿几层也可以御寒，纷歧定非得穿轻薄还保暖，可是很是贵的衣服。

我们的神舟飞船使用的情况温度有2000多度，它对重量要求很是苛刻。这是为啥呢？以价钱取胜的民用航空公司Space X公司，对它新研制的猎鹰9号火箭的单发报价是5400万美元，如果加上龙飞船，单发报价是1.33亿美元。

我们这个飞船防热质料占整个系统结构重量的占比是45%，如果我们把这个防热质料的密度降低10%，也可以节约出58公斤的重量，相当于一个航天员的重量，所以减重是很是有须要的，纵然它的价格是8000块钱每公斤，依旧很是划算。

除了减重以外，我们还要思量飞船的一些其他应用空间的情况问题，虽然我们这个质料最终使用的时候只有最后10分钟。可是前期要履历一个空间情况，就在轨道上。我们人类很是幸运，在地球上待着，有大气层的掩护，所以一年四季的温差，也就是零下20多度到零上30度的样子，一天内的温度差也不会特别大。

可是在轨道上就没有这么幸运了。轨道的温度从零下120度到零上120度，神舟飞船在上面每90分钟，就要履历这样一个崎岖温交变循环。任何质料都是会发生热胀冷缩的，而且每种质料的膨胀收缩率又纷歧样，如果把防热质料和内里的承力结构质料硬捆在一起，又不做任那边理，应力就足以使防热层开裂，固然后续返回的时候就会发生不能想象的一个结果了。

美国的阿波罗飞船是怎么解决这个问题的呢？它在防热层和承力层之间又加了滑动桁条，用来赔偿这两者之间的不匹配。可是神舟飞船不是这样做的，就是把防热层直接粘接在承力层壳体上，这样的话结构简朴了，而且重量也小了，但问题是使两者匹配的压力全部都落在了防热层研制上。

这些漂亮的照片是航天员通过舷窗拍摄的地球的照片。舷窗是航天员视察飞船状态，举行一系列空间科学试验很是重要的窗口，可是挥发分会使这个窗口看不清楚，就比力像咱们的汽车玻璃起雾结冰那样。

水在地球上是液态的，可是在太空这个真空情况中，它就会汽化。也就是说，地球上许多这种液态的低分子的化合物，它在太空中都市汽化，我们这个防热质料就必须制止这个现象。

前面说了我们这个质料是蜂窝增强的形式，这个质料是怎么成型出来的？美国是单孔灌注技术，从阿波罗飞船开始，一直到2010年新的猎户座大底，一直都用这个方法。

图片中这个是猎户座大底，直径有5米，每一个蜂窝的内径只有6毫米，这个大底密布了33万个蜂窝，成型的时候就是这样一圈人，围着这个大底，一个一个举行灌注，最后这个大底用了差不多5个月的时间才完成灌注。

可是我们没有用这样的方法，我们是用一个热压罐的设备，通过这个设备我们就是把这个质料整齐码放在蜂窝格子的上部，上面糊上一个真空带，整个体系内里抽着真空，外面通过设备对它举行加压，通过内外压差，就让质料整体压到了蜂窝里。

这个工艺很是简朴，它另有一个利益，这个产物的尺寸有多大，只需要选用一个相应尺寸的热压罐，就可以一次成型，整个历程前后不会凌驾8个小时。

大家可能会想，第一次听到美国人还挺傻，比我们中国人落伍这么多。其实不是这样，这个工艺自己并没有什么稀奇的，关键是怎么让物料满足工艺的使用要求，在灌注前可以整齐码放，灌注以后又可以匀称的填充在蜂窝格子里。我们梳理了一下这样的条件，有20多项，同时满足这20多个条件难度是很大的，最终神舟飞船用的H88和H96这两种质料。

大家有没有以为很奇怪，H88、H96，这两个质料的命名好奇怪。是这样的，虽然有许多的理论与研究基础，可是这个质料的配方依旧是需要大量的试验才气得出来的。我们科研人员要对这些质料举行编号，横坐标是ABCD这样的字母，纵坐标是1到99这样的数字。这样下来，一个正交矩阵，差不多也有八九百个配方。在这么多配方里，H88和H96满足了所有性能的要求。

我刚接到这个演讲任务时，大家都跟我说让我讲讲神舟飞船背后的故事，其实我不是很有底气。因为我们这个质料研制得很早，1986年的时候就开始研制了。1986年的时候我们做了863课题，在1992年的时候通过载人飞船的专项技术攻关，通过了十年的技术积累，1999年的时候取得了首飞乐成。

接下来在2003年的时候，神舟载人飞船首发乐成之后，我们这个质料基本上就定型了，再没有什么变化。直到2011年探月工程的牵引下，我们才开始了新质料的研制，2014年返回舱也取得了首飞乐成。

这么长的时间我在干什么？1986年的时候我还是一个胚胎，没有出生。1992年到1999年，神舟飞船的研制如火如荼的时候，我正在上小学。好不容易开始研究新质料了，2011年我刚刚去读博士，等到我到场事情了，我们这个新的小飞船又航行乐成了，所以我欠好意思在这儿讲神舟飞船背后的故事。

我其时读的是化学博士，经由了恒久的科研训练的积累，我最擅长干的事情就是挖掘数据，对着这些数据举行深度分析，编一个故事，发一篇文章。我对着这个时间轴好好的分析了一下，还发现了真有一个故事。

1986年的时候，我们这个质料就像一个还没有出生的婴儿，正在孕育之中。等到1992年到1999年，它就像一个小学生一样生机蓬勃，经由神舟1号到神舟11号这样一个研制定型的历程，这个质料逐渐走向了成熟。

等到2011年探月工程牵引的时候，恰恰就像一个博士生，把它之前的基础知识做了一个总结和积累，向更深、更尖端的地方去挖掘研究。我的生命和我这个质料有这样的联系，让我感应很是荣幸。

我就把自己亲身履历的一个故事分享给大家。在2014年我刚刚到场事情的时候，突然间被通知我们交付的探月三期的返回舱随炉试验件烧蚀发生了异常，我们课题组和所里的相关部门立马进入了一种紧张状态。

我跟大家解释一下什么叫随炉。就是我们的产物，我们在最终航行返回的时候都想证明一下它是及格的，可是又不能直接拿着这个产物去做试验，就只好用相同的原质料随着这个返回舱的产物一起制作，履历一个同样的历程、同样的情况，有的爽性就是从一个炉子里烧出来的，所以它叫随炉。

随炉的性能代表产物的性能。其时有三件随炉发生了烧蚀异常，基本上就可以说我们这个产物烧蚀也是有异常的。烧蚀有异常，会有什么严重的结果呢？我们航天史上有一个特别著名的事故，2003年2月1号的时候，哥伦比亚航天飞机在返回历程中解体爆炸，7名航天员全部丧生。

事故分析的原因就是因为航天飞机的左翼前缘的防热质料隔热瓦上面有一个缺陷。这下大家明白为什么我们这么紧张了吧，那怎么办呢？我们就归零。

归零是很是有航天特色的，它是一个快速解决问题和处置惩罚问题的捷径。归零的意思，是重新开始查找原因，我们就从原质料开始查，从原质料的原质料开始查。厥后梳理了许多工艺历程，最终锁定了两个异常现象，一个是灌注当天的时候热压罐设备突然坏了，经由抢修，也比正常的时间晚了6个小时举行灌注，另有当天是夏天，又恰好下过雨，纵然厂房是有空调的，依旧是一个高温高湿情况。

两个问题叠加在一起会怎么样呢？我们就举行了机理分析，建设了一套体系，从温湿度情况到树脂的黏度、质料的流变行为、灌注时间、质料的微观形貌，再到宏观烧蚀的行为，这一整套做下来，我以为问题可以就这么竣事了，可是没有，下面要举行的环节特此外绝，是说什么呢？

既然问题已经找到了，机理已经分析透了，那就应该用你说的这个错误的方法，再复现出同样的故障。所以，经由问题复现，我们才可以说这个问题确实定位准确，机理也是认识到了。只有这样才可以去判断现在的这个产物应该怎么办，以后的产物又该怎么办，我们又做了其他的试验来证明这个产物其实可以用，可是由于专业和时间的关系，我就不在这里展开的。

归零竣事了吗？没有，下面是它的第二绝，叫闻一知十。我们不是大底上的一个质料发生这个问题，那其他的四种质料有没有问题？它没有问题不代表没有隐患，也要做前面一样的事情，连带着神舟飞船的两种质料也做了相同的事情。

我以为特此外烧脑壳，因为逻辑太严谨，而且事情量也很大。你们以为我做这个事情需要多长时间？一个月？有点太长了，三天？会把我累死。事实上我们这个事情是三小我私家，花了三个星期的时间来做的，而且我们白昼的事情是不能中断的，其时的结构就是白昼做试验，协调试验、开会，晚上补试验，写种种试验陈诉。

我们感受特此外累，经常晚上11点钟以后才回家，没有周末，偶然还要通宵。肉体的痛苦还不算什么，关键是精神压力也很大，因为其时我们这个产物已经去总装了，岂非国家的发射任务要因为我们推后吗？或者这个产物到底能用不能用？许多人都等着我们这份归零陈诉做决议。

我其时刚刚到场事情，这个情况把我给吓坏了，我以为长此以往下去，我一定衰老得很快，可能还会过劳死。其实我想了一下，一个质料从质料研制再到用于产物的初样、试样、定型阶段，要经由许多质料的研制，还要通过多条理的质量评审，其实要经由许多人的手。

我做的这个事情只不外是其中一个很是很是小的点，所以在我这里事情的时间越久，知道的越多，做的越多，我越会以为自己很是的眇小，也明白谦卑，再加上确实跟我的前辈比起来，我这点基础不算什么。

这个图片中的这小我私家是我的师傅凌英，她22岁那年来到我们组里，1988年正好遇上了863课题，今后和神舟结缘。从神舟1号到神舟11号，她都是这个产物的工艺主岗，再过三年她就要退休了，也就是说她在这个岗位上待了30多年，这其实是不行思议的一件事情。

因为从任何一小我私家的职业生涯计划来讲，一直待在一个地方不升迁，是不正常的。就算不升迁，她也不应该在一线最苦的地方待着，她经常自嘲说是因为她没有本事转岗，其实我们都知道这是她小我私家的选择。

在我师傅旁边的两位是技术人员，飞船是实打实干出来的，离不开这样的可爱的大国工匠，左边这位是秦德辉，右面这位是蒋书平。我们这个飞船的成型工艺很是庞大，虽然有许多的工艺文件资料流传下来，如果没有他们手把手的去教，是很难做到精准传承的。正是有他们三位这样的人愿意一直在一线默默地奉献支付，成就了神舟飞船防热质料的高可靠性。

这两张图片见证了神舟飞船30年，岁月在他们三小我私家身上留下的痕迹，所以我也向他们表达敬意！

你们看到的这个档案是这个质料研制的档案，我只是拿了一个档案盒，把所有的都展开，而这样的档案盒有30多本。掀开每一个档案，这内里许多的档案又都是手写的。

像右边的图片是自己用座标纸画的，左边的照片是用卡片相机拍出来，然后再粘贴到陈诉上，那时候研制任务原来就很紧，可是科研人员还是要花时间、精神，把这些陈诉整理出来。

那时候电脑不是很普及，不像现在粘贴剪接那么利便，所以他们每修改一稿，都需要重新到尾把这个陈诉抄一遍。这也是有时候我去问我的师傅其时研制的细节，她都记得特别清楚的一个原因，因为她都抄了很多多少遍了。

我每次去看这些档案的时候，心内里都有一些别样的情愫，因为这些档案既客观记载了我们这个质料，其时900多个配方研制的目的和效果，同时也默默诉说着科研人员的辛劳。所以，这既是一个科技档案，也是一种名贵的精神财富。

最后，我想用一首诗作为末端，“苍穹划破，光耀九州寰宇；风华燃尽，守护神舟归来”。根据套路，我这个演讲应该在这个气势磅礴的诗句中就竣事了，可是我想给大家解释一下这个诗是什么意思。

这个诗是我们全组人一块儿写的，上半句指的是我们这个质料事情时的一种现象，下半句解释的是这个质料事情的原理和事情的目的。这首诗一语双关，上半句展现的是我们航天的魄力，下半句展现的是我们航天人的坚守和航天人坚守的意义。

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