長(zhǎng)征六號(hào)甲運(yùn)載火箭衛(wèi)星整流罩防熱涂層。本文圖片　受訪者供圖

8月26日，2024年度上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)?wù)筋C布，由上海交通大學(xué)朱新遠(yuǎn)教授領(lǐng)銜航天團(tuán)隊(duì)完成的“新一代運(yùn)載火箭表面特種防護(hù)涂層技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目，榮膺上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)最高榮譽(yù)——特等獎(jiǎng)。這項(xiàng)突破性的成果，在航天防護(hù)涂層領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者在采訪中了解到，朱新遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次提出并成功實(shí)踐了“超支化聚合物涂層一體化防護(hù)”的全新路線，徹底顛覆了傳統(tǒng)隔熱片拼接技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了具有國(guó)際引領(lǐng)性的“中國(guó)方案”，為中國(guó)火箭披上了一層高效可靠的“防護(hù)鎧甲”，為長(zhǎng)征系列等新一代運(yùn)載火箭的研制與批量生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)可靠的支撐，支撐著中國(guó)航天邁向更遠(yuǎn)的深空。

“冰火九重天”的考驗(yàn)

在探索浩瀚宇宙的征途上，新一代運(yùn)載火箭肩負(fù)著艱巨使命，對(duì)覆蓋全身的表面防護(hù)材料也提出了苛刻要求。其中，衛(wèi)星整流罩和低溫燃料貯箱是火箭防護(hù)體系的關(guān)鍵，事關(guān)發(fā)射成敗。

朱新遠(yuǎn)告訴記者，發(fā)射升空時(shí)，位于火箭頭部的衛(wèi)星整流罩在穿越稠密大氣層時(shí)需承受500℃以上高溫氣流的猛烈沖刷。如此高溫下，構(gòu)成火箭主體的鋁合金和復(fù)合材料的強(qiáng)度會(huì)急劇下降，艙內(nèi)精密的儀器設(shè)備也會(huì)因高溫“罷工”。因此，必須給整流罩披上高效的“隔熱斗篷”；新一代火箭采用液氧等超低溫燃料，燃料加注后，貯箱壁溫度驟降至－183℃，可以說(shuō)，新一代火箭表面防護(hù)面臨著“冰火九重天”的考驗(yàn)。

過(guò)去，國(guó)內(nèi)外普遍采用在火箭外層手工粘貼防熱軟木片（又稱(chēng)隔熱片），這種方案工藝繁瑣、制造周期長(zhǎng)、效率較低，而且存在大量的拼接界面，可靠性不高。隔熱片極易吸濕“鼓包”、“脫粘”，返修率極高，難以滿足新一代火箭高可靠、快節(jié)奏發(fā)射的迫切需求。為了耐受極端低溫沖擊，傳統(tǒng)貯箱采用的多層包覆防護(hù)技術(shù)不僅重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同樣面臨易脫粘分層的困境。

轉(zhuǎn)折點(diǎn)，來(lái)源于一次上海交大師生間的“跨界”碰撞。

朱新遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕于聚合物合成的科學(xué)前沿，早在2009年就取得一項(xiàng)重要突破，發(fā)明了雜化聚合制備超支化聚合物的新方法，并前瞻性地探索其在航天工程領(lǐng)域的應(yīng)用可能性，但當(dāng)時(shí)苦于沒(méi)有具體的工程需求牽引。期間，從上海交大畢業(yè)后加入上海航天設(shè)備制造總廠有限公司的張崇印，在2015年開(kāi)始負(fù)責(zé)公司新一代火箭高分子防護(hù)材料的研制工作。面對(duì)整流罩和貯箱的防護(hù)難題，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)一度陷入困境、舉步維艱。就在這時(shí)，師生情緣與家國(guó)使命產(chǎn)生了奇妙的化學(xué)反應(yīng)，得知消息的朱新遠(yuǎn)教授找到了張崇印，表達(dá)了將前沿的超支化聚合物技術(shù)應(yīng)用于解決火箭防護(hù)難題的合作意愿，師生兩人一拍即合，聯(lián)合上海宇航系統(tǒng)工程研究所等航天核心單位，組建了一支產(chǎn)學(xué)研用深度融合的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)。

團(tuán)隊(duì)部分成員實(shí)驗(yàn)室合影，右二為朱新遠(yuǎn)、左二為張崇印。

在上海市科委的推動(dòng)下，上海航天特種環(huán)境高分子功能材料工程技術(shù)研究中心于2018年正式獲得批復(fù)，形成了“基礎(chǔ)研究源頭創(chuàng)新－核心技術(shù)攻關(guān)－工程化應(yīng)用”的完整閉環(huán)創(chuàng)新鏈條。在這個(gè)體系中，上海交通大學(xué)潛心基礎(chǔ)技術(shù)研究和新材料開(kāi)發(fā)，上海宇航系統(tǒng)工程研究所聚焦航天器的熱環(huán)境分析、仿真與地面試車(chē)驗(yàn)證，上海航天設(shè)備制造總廠有限公司負(fù)責(zé)將防熱材料從實(shí)驗(yàn)室配方轉(zhuǎn)化為可靠產(chǎn)品，攻克工程化應(yīng)用的“最后一公里”。

顛覆性構(gòu)想打造“防護(hù)鎧甲”

為了破解“冰火九重天”難題，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)極具顛覆性的構(gòu)想：拋棄傳統(tǒng)的“拼拼補(bǔ)補(bǔ)”，采用一體成型的防護(hù)涂層。這種方案只需一次噴涂即可成型，徹底消除拼縫隱患，理論上能大幅提升可靠性，顯著縮短生產(chǎn)周期。

然而，要打造滿足火箭嚴(yán)苛要求的“防護(hù)鎧甲”，難度超乎想象。普通防護(hù)涂層直接噴涂在冰冷的金屬艙壁上，在極寒下會(huì)變得脆如薄冰，極易開(kāi)裂、剝落而喪失保護(hù)作用。涂層必須“粘得牢”、“耐極溫”、“噴得好”。要獲得這些性能，必須在涂料中添加大量的功能填料，如耐高溫、隔熱、增大強(qiáng)度的微粒。然而實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)功能填料超過(guò)一定比例時(shí)，涂料瞬間變得“濃稠如泥”，根本無(wú)法噴涂。同時(shí)，填料也極易抱團(tuán)，導(dǎo)致涂層內(nèi)部應(yīng)力集中，與基體的粘接力急劇下降。

如何才能實(shí)現(xiàn)“粘得牢、耐極溫、噴得好”？團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，創(chuàng)造性提出兩種或多種聚合反應(yīng)協(xié)同進(jìn)行的雜化聚合新思想，成功將傳統(tǒng)合成的“等活性”轉(zhuǎn)化為“非等活性”調(diào)控，抑制了交聯(lián)副反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)定制的超支化聚合物的可控制備與規(guī)?；a(chǎn)。

超支化聚合物就像神奇的“柔順劑”和“萬(wàn)能膠”，其特殊結(jié)構(gòu)能高效包裹、分散大量填料，大幅降低體系粘度，使其“噴得流暢”。同時(shí)，其豐富的末端官能團(tuán)又能與基體材料通過(guò)多種方式形成強(qiáng)力結(jié)合，如同八爪魚(yú)般牢牢抓住基材，使涂層“粘得牢固”；另外，超支化聚合物獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)就像自帶彈簧，在受到應(yīng)力沖擊的時(shí)候，通過(guò)自身分子內(nèi)部空間的收縮來(lái)進(jìn)行緩沖。當(dāng)應(yīng)力消失后，分子又能恢復(fù)到原始狀態(tài)。這種優(yōu)異韌性，賦予了涂層抵抗極冷極熱沖擊而不開(kāi)裂的能力，為中國(guó)火箭披上了一層高效可靠的“防護(hù)鎧甲”，支撐著中國(guó)航天邁向更遠(yuǎn)的深空。

2024年8月6日，長(zhǎng)征六號(hào)甲運(yùn)載火箭成功發(fā)射“千帆星座”首批組網(wǎng)衛(wèi)星——千帆極軌01組衛(wèi)星。

澎湃新聞?dòng)浾咴诓稍L中了解到，“新一代運(yùn)載火箭表面特種防護(hù)涂層技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目成果已成功應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)運(yùn)載火箭，累計(jì)實(shí)現(xiàn)多次航天應(yīng)用，特別是在我國(guó)首型固體捆綁火箭長(zhǎng)征六號(hào)甲為代表的任務(wù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。2024年8月6日，長(zhǎng)征六號(hào)甲運(yùn)載火箭成功將“千帆星座”首批組網(wǎng)衛(wèi)星——千帆極軌01組衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。這些應(yīng)用成果，不僅驗(yàn)證了超支化聚合物材料的先進(jìn)性能，更體現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新在突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸、服務(wù)國(guó)家需求方面的重要價(jià)值。

“新一代運(yùn)載火箭表面特種防護(hù)涂層技術(shù)與應(yīng)用，使火箭表面的防護(hù)工期從原先的一個(gè)月左右縮短到一周以內(nèi)，成本大幅度下降，火箭重量也大幅減重，具有明顯的高效率、高可靠、低成本優(yōu)勢(shì)?！敝煨逻h(yuǎn)透露，團(tuán)隊(duì)還將高性能聚合物技術(shù)拓展至民用領(lǐng)域，應(yīng)用于北京冬奧會(huì)場(chǎng)館、巴黎奧運(yùn)會(huì)設(shè)施、上海盧浦大橋等標(biāo)志性工程，不僅創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，更打破了國(guó)外企業(yè)對(duì)高端工業(yè)涂料的技術(shù)壟斷。