“一代材料，一層高度。”是航天科技圈的真實(shí)寫照。通常條件下，航天飛行器是在超高溫、超低溫、高真空、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕等極端條件下工作，除了依靠?jī)?yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，更主要的是依賴于材料所具有的優(yōu)異特性和功能。由此可見，材料在航天產(chǎn)品發(fā)展中的具有極其重要的地位和作用。那么，無(wú)論航天飛機(jī)還是神舟飛船還是……都離不開哪些關(guān)鍵材料呢？小編盡洪荒之力整理如下，若有不妥和遺漏，敬請(qǐng)?jiān)彶⒏?/span>

實(shí)現(xiàn)航天夢(mèng)，這些材料不可或缺！

 

近年來(lái)，隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展， “航空航天熱”不斷升溫。恰逢“長(zhǎng)征七號(hào)”火箭成功發(fā)射之際，這股熱浪再次升溫，“航空航天”也成為了人們?nèi)粘Ｓ懻摰脑掝}，似乎每一個(gè)國(guó)人心中都有一個(gè)“航空航天夢(mèng)”，這個(gè)夢(mèng)想如影隨形，深埋心底。

從飛行器在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面講，航空航天產(chǎn)品在追求輕質(zhì)和減重方向上可以說(shuō)是斤斤計(jì)較，甚至是說(shuō)成“克克必爭(zhēng)”都不為過(guò)。比如對(duì)航天飛機(jī)來(lái)說(shuō)，每減重1kg的經(jīng)濟(jì)效益將近十萬(wàn)美元。下圖就是飛行器每減重1kg所取得的經(jīng)濟(jì)效益與飛行速度的關(guān)系。

 

減輕結(jié)構(gòu)所得經(jīng)濟(jì)效益（相對(duì)值），飛行器每減重1kg后所得經(jīng)濟(jì)效益與飛行速度的關(guān)系

 

要想實(shí)現(xiàn)飛行器的減重，除了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，最主要的途徑是采用新型材料及改型材料。從圖中就可以看出，隨著科技的發(fā)展，新型材料和改進(jìn)型材料與主動(dòng)載荷控制、顫振抑制、自動(dòng)化設(shè)計(jì)及先進(jìn)結(jié)構(gòu)概念等相比，在飛行器結(jié)構(gòu)減重中占有主導(dǎo)地位，也正因?yàn)檫@個(gè)原因，材料的比強(qiáng)度，比模量等這些概念在航空航天領(lǐng)域具有更為重要的現(xiàn)實(shí)意義。如我們常見得到鈦合金，金屬?gòu)?fù)合材料等都是高強(qiáng)輕質(zhì)材料，很受航空航天領(lǐng)域的青睞。

 

新型材料及改進(jìn)型材料在軍機(jī)結(jié)構(gòu)減重中的重要性及發(fā)展趨勢(shì)

 

對(duì)于航空航天飛行器而言，除采用高強(qiáng)輕質(zhì)合金外，制約其產(chǎn)品性能的另一類關(guān)鍵材料是高溫材料。以飛機(jī)蒙皮為例，現(xiàn)在航天飛機(jī)的蒙皮溫度高達(dá)1000℃，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片承受的溫度高達(dá)2000℃。因此，為了支撐航空航天產(chǎn)品在高溫下的工作要求，許多新型材料如金屬間化合物、陶瓷、碳/碳及各種復(fù)合材料正在加速發(fā)展之中，目的就是降低飛行器的結(jié)構(gòu)重量，提高飛行器的結(jié)構(gòu)效率、服役的可靠性及延長(zhǎng)使用壽命。

 

但是，隨著近年來(lái)在航空航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引入損傷容限設(shè)計(jì)的概念，對(duì)材料的韌性提出了更高的要求，這難免會(huì)造成用犧牲材料強(qiáng)度來(lái)?yè)Q取材料更高的韌性，以確保航空航天產(chǎn)品的高可靠性、高耐久性和長(zhǎng)壽命。尤其是對(duì)于航空航天動(dòng)力裝置而言，更是提出了更高的要求，即超高溫或超低溫、高真空、高應(yīng)力、強(qiáng)腐蝕等極端條件。為了滿足上述諸多苛刻的工作條件，我們必須最大程度的挖掘結(jié)構(gòu)材料的潛力。現(xiàn)在，滿足使用條件的結(jié)構(gòu)材料包括有新型高溫合金和高溫鈦合金、金屬間化合物及其復(fù)合材料、熱障涂層材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基和碳/碳復(fù)合材料等。

 

單晶高溫合金

 

單晶高溫合金在950-1100℃ 溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的抗氧化、抗熱腐蝕等綜合性能，成為高性能先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪葉片的主要材料。我國(guó)研制了 DD402、DD406等單晶合金。其中第一代單晶合金DD402在1100℃ 、1300ＭPa應(yīng)力下持久壽命大于100h ，適合制作工作溫度在1050℃以下的渦輪葉片，是國(guó)內(nèi)使用溫度最高的渦輪葉片材料；第二代單晶合金DD406含2%Re，使用溫度可達(dá)800-1100℃ ，正在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行使用考核。

 

鎳基超合金

 

鎳基超合金具有良好的高溫蠕變特性、高溫疲勞特性以及抗氧化、抗高溫腐蝕等綜合性能，滿足了高推重比先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。為了使渦輪機(jī)葉片能夠承受遠(yuǎn)超過(guò)Ni熔點(diǎn)的溫度，除了升高Ni基超合金的使用溫度外，還在基體表面涂敷絕熱層 （TBC），以及采取冷卻措施等降低基體溫度。CMSX-10、Rene N6等含Re為5%-6%的第３代單晶體Ni基超合金，其使用溫度達(dá)到1050℃ 。近年來(lái)美國(guó)通用電氣公司（GE）、法國(guó)史奈克馬公司（SENCMA）和日本國(guó)家材料科學(xué)研究所（NIMS）開發(fā)了第4代單晶體Ni基超合金，該合金不僅添加了Re，還添加了2%-3%的Ru，以提高合金組織的穩(wěn)定性。 NIMS 研制了第 5 代單晶體Ni 基超合金，在第 4 代合金的基礎(chǔ)上增加了 Ru 含量，使合金的耐用溫度達(dá)到 1100℃ 。

 

等軸晶，柱狀晶，單晶

 

金屬間化合物

 

金屬間化合物是近幾十年來(lái)研究的一類前景廣闊、低密度的高溫材料。目前，金屬間化合物中熔點(diǎn)超過(guò)1500 ℃的就有 300多種，其中 Mo3Si、 Re3Nb、 W2Hf2等金屬間化合物的熔點(diǎn)都超過(guò)了2000℃ 。近年來(lái)Ti-Al 和 Ni-Al系材料的力學(xué)性能及應(yīng)用研究取得了令人矚目的成就。

難熔金屬材料

 

難熔金屬（ W、Re 、Mo、Nb等）及其合金具有高熔點(diǎn)、耐高溫和強(qiáng)抗腐蝕能力等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于固液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和航天發(fā)動(dòng)機(jī)等場(chǎng)合。其中研究和應(yīng)用最多的主要是 W、Re 、Mo、Nb等金屬。

金屬陶瓷材料

 

金屬陶瓷是介于高溫合金和陶瓷之間的一種高溫材料。碳硅化鈦（Ti3SiC2）是其中研究最多的一種材料，具有耐高溫、抗氧化能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，又具有金屬材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、可加工性、塑性等優(yōu)異性能，是一種綜合陶瓷材料。碳硅化鈦在1200-1400℃ 高溫下，強(qiáng)度比目前最好的耐熱合金還高，又易加工，故完全可作高溫結(jié)構(gòu)材料用，其高溫強(qiáng)度與抗氧化、抗熱震等性能優(yōu)于 Si3N4 ，有可能用于未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制作導(dǎo)向葉片或渦輪葉片。

 

金屬基復(fù)合材料

 

金屬基復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有更高的比強(qiáng)度、比剛度、耐高溫和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能。鈦基、鈦鋁化合物基和高溫合金基復(fù)合材料耐溫能力較強(qiáng)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中溫（650-1000℃）部件的候選材料。

陶瓷基復(fù)合材料

 

陶瓷基復(fù)合材料具有密度低、耐高溫、高熱導(dǎo)率、高彈性模量等優(yōu)異的物理性能，并能在高溫下保持很高的強(qiáng)度、良好的抗熱震性和適中的熱膨脹率，對(duì)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片質(zhì)量和降低渦輪葉片冷氣量意義重大，是高溫領(lǐng)域最有前途的材料。在2000℃ 以上氧化氣氛中可用的候選材料主要是碳化物和硼化物。

樹脂基復(fù)合材料

 

樹脂基復(fù)合材料憑借比強(qiáng)度高、比模量高、耐疲勞與耐腐蝕性好和阻噪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件（風(fēng)扇機(jī)匣、壓氣機(jī)葉片、進(jìn)氣機(jī)匣等）和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、反推力裝置等部件上得到了廣泛應(yīng)用。樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)發(fā)展到了耐溫 450℃ 的第四代聚酰亞胺復(fù)合材料，形成了從 280-450℃ 涵蓋四代的耐高溫樹脂基復(fù)合材料體系。

防護(hù)涂層

 

目前，對(duì)于鎳基高溫合金而言，主要使用的防護(hù)包括擴(kuò)散涂層、包覆涂層、熱障涂層及新型高溫涂層。

 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)航空材料發(fā)展的需求目標(biāo)和重點(diǎn)

 

 

液體和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)材料的需求

 

從前面列舉的航空航天材料可以看出，先進(jìn)航空航天產(chǎn)品構(gòu)件越來(lái)越多地采用高性能的新型材料以滿足日益提高的性能要求，特別是在承受高溫的構(gòu)件方面，以金屬間化合物、高溫合金、單晶合金、難熔合金及先進(jìn)陶瓷材料等為代表的新型材料扮演了日益重要的角色。

當(dāng)代高性能固航空及航天發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特征是“高能-輕質(zhì)-可控”，三者互相關(guān)聯(lián)，而且是以材料和工藝技術(shù)為基礎(chǔ)集成起來(lái)。先進(jìn)的材料及新工藝的全面應(yīng)用是提高航空及航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)決定性因素。

 

航空航天未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)用材的預(yù)測(cè)（NASA）

 

美國(guó)航空航天局對(duì)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，可以看出，到2020年Ti基復(fù)合材料、TiAl及Ni、Fe基金屬間化合物、陶瓷復(fù)合材料，難熔合金與Ni基高溫及單晶合金等將占發(fā)動(dòng)機(jī)用材料的百分之八十五左右，其中相當(dāng)一部分關(guān)鍵高溫構(gòu)件要采用凝固和塑性加工制備。就以TiAl基合金來(lái)說(shuō)，GE公司宣布，波音787選用的GENX發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪后兩級(jí)葉片采用TiAl合金可減重200公斤，下表為GE公司TiAl基合金的應(yīng)用情況與發(fā)展計(jì)劃。

 

GE公司等TiAl基合金的應(yīng)用情況與發(fā)展計(jì)劃

 

 

2011-2020年我國(guó)先進(jìn)材料與熱工藝技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)

 

我國(guó)在航空航天領(lǐng)域，到2022年，先進(jìn)材料與熱工藝技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)計(jì)劃中也將高性能TiAl合金及冷坩堝熔鑄和定向凝固作為研究開發(fā)的重點(diǎn)。

神舟鐘形返回艙外殼體用什么做的？

很多人都知道，無(wú)論是美國(guó)的航天飛機(jī)，還是咱們的神舟鐘形返回艙，或者是SpaceX的獵鷹9號(hào)，都要經(jīng)受得住過(guò)大氣層時(shí)產(chǎn)生的幾千度高溫，所以其殼體都有保護(hù)層。

這種保護(hù)層材料是什么呢？一般是氧化物彌散強(qiáng)化型高溫合金，Oxide dispersion strengthened（以下簡(jiǎn)稱ODS）。

 

ODS是一類使用溫度高（可達(dá)1300℃）、高溫強(qiáng)度高、疲勞性能和抗腐蝕能力好、抗蠕變性能好的高溫合金。這類合金已應(yīng)用于航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等高溫部件，也應(yīng)用于核工業(yè)、煤炭、石油化工、發(fā)電、冶金、工業(yè)加熱爐、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、玻璃、高溫測(cè)試等領(lǐng)域。如高溫渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以及換熱器管道等。鎳基合金是目前ODS的主要產(chǎn)品，相關(guān)的氧化物彌散強(qiáng)化鐵鋁合金正在研究開發(fā)中。

ODS的常見牌號(hào)包括MA754，MA758，MA6000，MA956等，我國(guó)鐘形返回艙用的是什么牌號(hào)，嘿嘿，那是機(jī)密，無(wú)相關(guān)資料。

 

航天應(yīng)用

 

ODS材料用于航天器時(shí)，主要用于航天器防護(hù)層。這里簡(jiǎn)單說(shuō)一下航天器返回大氣層時(shí)產(chǎn)生的激波（Shock wave）。

當(dāng)航天器以高超音速返回地球時(shí)，以第一宇宙速度進(jìn)入地球大氣層，此時(shí)航天器的速度大約是25倍的音速，這種情況下會(huì)產(chǎn)生激波。

究其原因，是因?yàn)楹教炱鳠g面下的空氣，會(huì)受到一個(gè)與航天器速度相反的沖量，由于航天器的速度太快，航天器前部的空氣在極短的時(shí)間內(nèi)來(lái)不及被排開，因此，這部分氣體被極大地壓縮了，壓縮效應(yīng)導(dǎo)致這部分氣體的內(nèi)能增加，它就像一面熾熱的空氣墻阻擋在航天器前方，此時(shí)，航天器燒蝕面與周圍氣體分子呈粘滯狀態(tài)（Viscous state），熱量不易散發(fā)，會(huì)形成一個(gè)溫度高達(dá)幾千攝氏度的高溫區(qū)。

航天器返回大氣層時(shí)所遭遇的激波，足以損壞航天器上任一構(gòu)件，與此同時(shí)，在這樣的速度和溫度下，氧分子也變得十分具有侵蝕性，因此，選擇合適的防護(hù)材料至關(guān)重要，此時(shí)，ODS合金就發(fā)揮了其定海神針的作用了。

 

航天器返回大氣時(shí)產(chǎn)生的激波

 

ODS原理

 

氧化物彌散強(qiáng)化機(jī)制，主要是基于氧化物顆粒與基體材料晶格的非共格性。氧化物顆粒減少材料內(nèi)部位錯(cuò)移動(dòng)，從而阻止了蠕變。由于氧化物顆粒是非共格分布的，基體材料中的位錯(cuò)只能通過(guò)攀移方式繞過(guò)氧化物顆粒。如果氧化物顆粒與基體晶格是半共格或共格關(guān)系時(shí)，位錯(cuò)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的切割方式來(lái)穿越氧化物顆粒。

與切割相比，攀移受能態(tài)的影響不大，也就是說(shuō)，材料的高溫并不能有效地激活位錯(cuò)的攀移，所以，與簡(jiǎn)單的位錯(cuò)切割移動(dòng)方式相比，彌散分布的氧化物顆粒能更有效地阻止位錯(cuò)的移動(dòng)。

攀移既可以在氧化物顆粒與位錯(cuò)的交界面發(fā)生（局部攀移），也可以用整體性攀移多個(gè)氧化物顆粒的方式發(fā)生（整體攀移）。整體攀移所需的能量略小，也是攀移發(fā)生的常見機(jī)制。由于需要施加額外的應(yīng)力作用于位錯(cuò)，使之運(yùn)動(dòng)并通過(guò)攀移越過(guò)氧化物顆粒，非共格不連續(xù)氧化物顆粒引入了門檻應(yīng)力值（σt）。

另外，即使位錯(cuò)通過(guò)攀移克服氧化物顆粒，但仍可能釘扎在氧化物顆粒和晶格界面位置，這種有趣的現(xiàn)象被稱為界面釘扎現(xiàn)象，這又需要施加額外的門檻應(yīng)力，使位錯(cuò)掙脫界面釘扎后方可發(fā)生塑性變形。

生產(chǎn)工藝

 

ODS的耐蠕變性能，很大程度上取決于彌散分布在金屬基體上的納米級(jí)氧化物顆粒的特征，特別是這些顆粒阻止位錯(cuò)移動(dòng)的能力，以及這些顆粒的尺寸大小和分布情況。

Hoelzer及其同事的研究成果已經(jīng)表明，含有均勻分布的1~5 nm尺寸的Y2Ti2O7納米晶簇的合金，比含有不均勻分布的5~20 nm尺寸的Y2Ti2O7納米晶簇的相同合金，具有更出色的耐蠕變性能。

因此，在開發(fā)新的ODS時(shí)，相關(guān)工藝是否能夠在基體材料中形成密實(shí)均勻分布的小納米晶簇是一個(gè)非常重要的關(guān)注點(diǎn)。

 

ODS傳統(tǒng)工藝路線

 

促進(jìn)納米氧化物形成的改進(jìn)ODS工藝

 

ODS通常采用機(jī)械合金化的方法進(jìn)行生產(chǎn)。ODS是通過(guò)把氧化物顆粒（例如氧化釔Y2O3, 氧化鋁Al2O3）和預(yù)合金化金屬粉末混合在一起后進(jìn)行球磨，對(duì)球磨完成后的粉末進(jìn)行熱靜等壓壓縮并燒結(jié)，最終獲得所需的ODS。在球磨過(guò)程中，納米氧化物會(huì)進(jìn)入基體金屬并形成固溶，在隨后的熱處理過(guò)程中，形成析出物并獲得ODS。

這個(gè)工藝看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際上很多參數(shù)需要精心控制才能生產(chǎn)出一種良好的ODS。Leseigneur及其同事已經(jīng)完成的工作表明，通過(guò)控制這些參數(shù)，可以獲得更均勻和更理想的ODS合金的微觀結(jié)構(gòu)。在改進(jìn)后的ODS工藝中，氧化物被長(zhǎng)時(shí)間球磨，以保證氧化物顆粒其在金屬基體中均勻固溶，隨后，對(duì)混勻的粉末進(jìn)行更高溫度下的退火，來(lái)控制納米氧化物晶簇的受控形核。最終，粉末被重新壓縮并燒結(jié)，并獲得最終的成品材料。

典型牌號(hào)介紹

 

INCONEL alloy MA754 （UNS N07754）：這是一種氧化物彌散強(qiáng)化型Ni-Cr超級(jí)合金，采用機(jī)械合金化的工藝進(jìn)行生產(chǎn)。它的氧化釔彌散體使Ni-Cr合金基體在具有高度耐蝕性的前提下，也具備了出色的高溫強(qiáng)度和耐耐蠕變性能。

該合金的強(qiáng)度、連同其極高的熔點(diǎn)溫度和微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使它成為燃?xì)鉁u輪機(jī)元件，熔爐內(nèi)部固定裝置和滑軌，緊固件及其他對(duì)高溫蠕變，高溫耐蝕性有要求場(chǎng)合的首選材料之一。

 

熱處理爐爐內(nèi)滑軌（Heat Treating Furnace Skid Rails）

 

化學(xué)成分

 

 

物理性能

 

 

楊氏彈性模量（縱向）

 

 

熱性能和電性能

 

 

抗侵蝕性能

（暴露于2150攝氏度，空氣+5%水蒸汽介質(zhì)，1008小時(shí)）

 

 

力學(xué)性能

（不同溫度下的抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率）

 

青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，解析中國(guó)下一代神舟飛船的關(guān)鍵材料

 

2016年中國(guó)航天發(fā)射的看點(diǎn)，除了首飛的長(zhǎng)征七號(hào)、長(zhǎng)征五號(hào)，就是發(fā)射神舟11號(hào)、并與天宮二號(hào)對(duì)接，還有首飛的天舟1號(hào)。神舟11號(hào)仍屬于我國(guó)第一代載入飛船，進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，俄美中三國(guó)不約而同地開展新一代載人飛船的研制。為什么要研制新一代呢？我們先來(lái)看目前使用的聯(lián)盟號(hào)和神舟飛船的圖。

 

從下圖可以看到聯(lián)盟號(hào)飛船內(nèi)部空間非常擁擠，神舟飛船相對(duì)寬松些，但也只能搭載三名航天員，而未來(lái)的航天飛行任務(wù)需要搭載更多的航天員，要去目的地也不僅限于近地軌道的空間站，還有登陸月球甚至火星。

 

 

航天員升空和返回時(shí)都是在返回艙里，從下圖可知神舟飛船長(zhǎng)2.06米，直徑2.52米，無(wú)論是直徑還是高度都大于比聯(lián)盟號(hào)。推進(jìn)艙和軌道艙同樣是比聯(lián)盟號(hào)要大。兩側(cè)各有一對(duì)太陽(yáng)翼，面積為2.0×7.5米。與前面的電池翼加起來(lái)產(chǎn)生的電力三倍于聯(lián)盟號(hào)，平均1.5千瓦以上。所以說(shuō)，神舟飛船雖然借鑒了聯(lián)盟號(hào)，但青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，我們的更先進(jìn)。

 

那么下一代載人飛船又會(huì)是什么樣呢？它們有幾個(gè)共同點(diǎn)：空間更大，可搭載4—6人，可重復(fù)使用、可以第二宇宙速度再入大氣層。我們先來(lái)看俄美兩家的。

俄羅斯的新一代飛船目前正在飛船制造商Energia火箭與太空公司進(jìn)行研發(fā)，初始設(shè)計(jì)已經(jīng)提交俄羅斯聯(lián)邦航天局。下圖是返回艙的模擬艙，飛船將采用多模塊、多元設(shè)計(jì)。任務(wù)之一將是把4--6名成員送至國(guó)際空間站。但需要飛往遠(yuǎn)軌時(shí)，飛船還有一個(gè)生活艙，并具有加固絕緣層，可以返回地球軌道并以第二宇宙速度再入大氣層。俄新飛船返回艙的最大直徑為4.4米，是“聯(lián)盟”飛船直徑的兩倍，內(nèi)部空間比聯(lián)盟號(hào)寬敞了許多，顯示屏和操作桿可向下折疊。由于直徑只有4.4米。它目前還只是搭載四名航天員，座位采用并排的‘品’字形布局。如果要增加到六人，從下圖來(lái)看必須加大飛船的直徑。

 

據(jù)俄新網(wǎng)報(bào)道，正在研制的新一代載人飛船能在15年的壽命期內(nèi)，重復(fù)使用10次以降低天地往返的運(yùn)輸成本。為了提高著陸準(zhǔn)確性，基本型飛船擬不再采用減速降落傘，而完全使用緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反作用力來(lái)減速，實(shí)現(xiàn)返回艙軟著陸。俄羅斯的著陸準(zhǔn)確性一向不高，中國(guó)同樣是采用降落傘，無(wú)論是返回式衛(wèi)星還是神舟1—10號(hào)，著陸準(zhǔn)確性都非常高。乘員艙采用可重復(fù)使用的防熱瓦，（又走回美國(guó)航天飛機(jī)的老路？）這不同于傳統(tǒng)的燒蝕性絕熱系統(tǒng)，后者在再入大氣時(shí)分層燃燒。

 

自從航天飛機(jī)停止使用后，往返于國(guó)際空間站的西方航天員都是搭載俄羅斯的聯(lián)盟號(hào)飛船，所以美國(guó)也開始研制下一代可重復(fù)使用的載人飛船。由美國(guó)政府投資、洛·馬公司研制的“獵戶座”多用途乘員飛行器可重復(fù)使用10次。該飛船的首次載人任務(wù)計(jì)劃在2018年進(jìn)行。獵戶座的首次無(wú)人試驗(yàn)飛行是2014年12月5日，飛行時(shí)間非常簡(jiǎn)短，從發(fā)射到返回一共只有4.5小時(shí)，整個(gè)過(guò)程中圍繞地球運(yùn)行兩圈，再以每小時(shí)3.2萬(wàn)公里的速度重返大氣層，以測(cè)試其能否經(jīng)受重返大氣層的考驗(yàn)。但這是在過(guò)去的42年間，美國(guó)宇航局第一次將一艘旨在為載人航天設(shè)計(jì)的飛船，上一艘這樣的飛船還是1972年的阿波羅-17號(hào)。也就是說(shuō)美國(guó)飛船目前的進(jìn)度還不及神舟飛船，我們已經(jīng)成功發(fā)射十次，其中六次載人。從下面拼圖中模擬艙的座位來(lái)看，目前的獵戶座是搭載4名航天員，以兩排‘田’字形布局，沒有操縱桿。

 

美國(guó)的思路與俄羅斯的做法相反，“獵戶座”防熱材料采用阿波羅時(shí)期的燒蝕性絕熱系統(tǒng)。它采用先進(jìn)耐高溫復(fù)合材料，每次返回地面后可以替換。中國(guó)下一代飛船的再入熱防護(hù)材料是低燒蝕輕質(zhì)防熱材料；“獵戶座”的回收方式也與俄羅斯新一代飛船完全靠反推發(fā)動(dòng)機(jī)不同，它采用3頂大降落傘加空氣緩沖氣囊，直接降落到美國(guó)西部沙漠的干旱地區(qū)，其中乘員艙下側(cè)的氣囊系統(tǒng)可以膨脹來(lái)吸收和削弱著陸時(shí)的震動(dòng)。但是目前美國(guó)還沒有攻克后者的技術(shù)難關(guān)，所以2014年底的試驗(yàn)發(fā)射仍然是采用海中濺落的方式，降落在東太平洋。中國(guó)下一代飛船回收手段也是“群傘+氣囊”，同樣具備海上和陸地著陸能力，神舟飛船1—10號(hào)每次都成功在陸上的指定地點(diǎn)降落，顯示中國(guó)的回收技術(shù)水平世界一流。

 

中國(guó)的下一代載人飛船有什么亮點(diǎn)呢？從下面的資料能看出端倪：

當(dāng)世界還在關(guān)注神舟十號(hào)的時(shí)候，航天五院載人航天器總體研究室已經(jīng)展開了新一代多用途飛船的論證工作。新一代飛船技術(shù)先進(jìn)，起點(diǎn)高、難度大，是我國(guó)載人航天器提水平、上臺(tái)階的關(guān)鍵項(xiàng)目。載人航天器總體研究室的楊慶、吳文瑞、黃震等人，在短短的三個(gè)月內(nèi)，完成了多用途飛船返回艙的論證工作，實(shí)現(xiàn)了工程立項(xiàng)。如今新一代載人飛船型號(hào)任務(wù)正在穩(wěn)步推進(jìn)。

新一代載人航天器密封艙主結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展方向和應(yīng)用研究進(jìn)展。中國(guó)、蘇聯(lián)一直應(yīng)用鋁鎂系列鋁合金：蘇聯(lián)用 AMГ6Al-Mg 系合金，中國(guó)用 5A06 鋁鎂系列鋁合金；美國(guó)、歐洲主要應(yīng)用鋁銅系列鋁合金，部分應(yīng)用鋁鎂系列鋁合金，如 2014Al-Cu 系合金、2219Al-Cu 系合金、 5086Al-Mg 系合金。中南大學(xué)和東北輕合金有限公司等單位在國(guó)家項(xiàng)目支持下，率先開展鋁鎂鈧合金的研制，根據(jù)我國(guó)航天工業(yè)發(fā)展需求，開發(fā)出了5B70鋁鎂鈧合金。

 

中國(guó)新一代的載人航天器大型密封艙主結(jié)構(gòu)，主要由鋁合金壁板與大型鍛環(huán)成型焊接而成，直徑5 m（返回艙的底面積比俄羅斯新一代飛船大30%），鋁合金壁板厚度 30 mm 以上，長(zhǎng)度數(shù) 10 m。載人航天器主結(jié)構(gòu)材料升級(jí)是因?yàn)椋?/span>

1、更輕的重量 目前我國(guó)載人航天器結(jié)構(gòu)重量/發(fā)射重量比約為24%～28%，采用中國(guó)獨(dú)創(chuàng)的5B70鋁鎂鈧合金可將此比例降至 20%以下。

2、更長(zhǎng)的壽命 未來(lái)新一代天地運(yùn)輸系統(tǒng)、地外駐留平臺(tái)、月球基地等載人探測(cè)器工作和運(yùn)行時(shí)間通常長(zhǎng)于 15 年， 要求主結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的載荷環(huán)境下滿足長(zhǎng)壽命需求，這就要求材料具備良好的疲勞特性和斷裂特性。

3、可重復(fù)使用 為了提高經(jīng)濟(jì)性，新一代天地往返系統(tǒng)等載人航天器要求主結(jié)構(gòu)具備可重復(fù)使用功能，這對(duì)主結(jié)構(gòu)及其材料提出了全新的要求，需要采用可靠性更好的材料，并對(duì)材料損傷容限進(jìn)行界定、識(shí)別及可靠性分析。

4、更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力 載人航天器從近地軌道載人飛船和空間站，延伸發(fā)展至未來(lái)月球/深空探測(cè)載人飛船，或長(zhǎng)期駐留 生存基地，其密封艙主結(jié)構(gòu)將面臨更復(fù)雜的載荷條件和更苛刻的環(huán)境條件，因此應(yīng)具備更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

 

目前的神舟飛船之所以是‘鐘’形，是因?yàn)榈撞恐睆街挥?.52米。中國(guó)下一代飛船的返回艙底部直徑增加至5米，外形為圓錐側(cè)壁加球冠大底的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。其結(jié)構(gòu)主體分為頂部、側(cè)壁、大底三部分（見上圖）。頂部是返回艙的主要承力部件，需要在返回段開傘過(guò)程中抵抗嚴(yán)苛的沖擊載荷。頂部有傘艙、彈射器、GNSS 天線、黑障天線等設(shè)備。側(cè)壁包括防熱層、蜂窩板和壁板，其中防熱層有4塊，并與蜂窩板粘貼在一起，再用螺接的方式與壁板上的筋相連接。側(cè)壁上主要安裝有姿態(tài)控制、氣動(dòng)測(cè)量功能的設(shè)備。大底是緩沖著陸沖擊載荷的關(guān)鍵部位，由內(nèi)外兩層蒙皮以及夾筋桁條組成。大底由金屬大底和防熱大底兩部分組成，其中金屬大底上主要安裝有信息管理、能源管理、回收、氣動(dòng)測(cè)量等功能的設(shè)備；防熱大底上布設(shè)了氣動(dòng)測(cè)量功能設(shè)備。

 

錸：助神舟飛船上天關(guān)鍵金屬

 

錸：的元素符號(hào)是Re，原子序數(shù)75，常溫下的錸為銀白色的金屬或灰至黑色的粉末。錸的熔點(diǎn)為3180℃，沸點(diǎn)為5627℃。金屬錸非常硬，耐磨也耐腐蝕。錸的價(jià)格昂貴，因此在應(yīng)用上多被制成合金。其中，尤以鎢錸和鉬錸合金的用途最廣。

 

神舟飛船上的儀器和高溫部件都要用到錸

尖端應(yīng)用

 

含錸的合金可耐高溫，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵金屬；也被用來(lái)制造電燈絲、人造衛(wèi)星和火箭的外殼、原子反應(yīng)堆的防護(hù)板等。錸及其合金可制作高溫?zé)犭娕迹u錸熱電偶在3100℃也不軟化。在鎢或鉬合金中加25%的錸，可增加材料的延展性能。火箭、導(dǎo)彈上會(huì)用錸作高溫涂層，宇宙飛船用的儀器和高溫部件也都要用到錸。此外，錸還在醇類脫氫、合成氨等化工生產(chǎn)中作為催化劑使用。隨著中國(guó)軍工發(fā)展的重心轉(zhuǎn)移至海空方向，未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、無(wú)人機(jī)和高速飛行器等領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步發(fā)展，錸的戰(zhàn)略價(jià)值將更為凸顯。