PICA故事

【何謂PICA材料】

　　PICA即Phenolic Impregnated Carbon Ablator的縮寫，中文名稱為酚醛浸漬碳燒蝕材料，它目前是美國NASA星際探索項目中最重要的熱防護材料之一。從名字我們可以大致了解材料的基本信息，即它是一種通過燒蝕來實現熱防護的材料，且主要成分包括酚醛和碳材兩部分。事實上，由碳和酚醛組成的材料最常見的是美國國防部（DoD）的碳/酚醛（Carbon Phenolic）復合材料，而它的誕生時期要比PICA材料早很多，通常是洲際導彈彈頭的熱防護材料。碳/酚醛可通過RTM等工藝成型獲得，材料致密度較高，密度在1.4g/cm3左右，在高熱流和高壓下非?？煽?。而PICA材料相對于碳/酚醛而言其密度要低很多，材料密度可根據使用環境進行調整，通常在0.25-0.6g/cm3范圍。另外一種材料SLA-561的密度也僅為0.22g/cm3左右。下圖是美國一些飛船著陸/再入過程中熱環境和熱防護材料應用情況，圖中橫坐標為駐點壓力，縱坐標為峰值熱流。由圖可知，SLA主要應用于低熱流的情況下，而PICA則能勝任更高熱流條件。

　　PS：飛行器在大氣飛行過程中表面會受到氣動加熱，這種氣動加熱程度通?？梢圆捎脽崃?、焓值和壓力來評價，這三個參數具有一定的匹配關系，因此根據熱流和壓力基本可表征熱環境特點。

　　熱防護系統材料在設計和選擇時，首先要保證材料能夠承受嚴酷的氣動熱環境而不直接失效，其次便是材料的隔熱性能要好，再則便是材料最好比較輕。一般飛船內部的儀器設備都不能忍受太高的溫度，因此需要足夠厚度的熱防護材料才能保證設備正常工作。若材料的隔熱性能差，那么熱防護材料必然變厚，導致外部殼體非常笨重。在火箭推力不變的情況下必然會壓縮飛船內部其它科學儀器或者設備的質量和空間，大大降低有效載荷。

　　由此可見，在保證材料能夠抵抗高熱流的情況下大大降低材料密度是一種非常有效的手段。盡管降低材料的密度會損失一些力學性能，但是對于飛船著陸/再入時而言，這種材料輕質化所帶來的效益是更加可觀的。

【材料的研發】

　　從20世紀60年代開始，美蘇開啟了火星探測之路，那個時期的海盜號、探路者號的熱防護系統均采用了SLA材料，這種材料前文我們已經介紹到主要用于熱流在300W/cm2以下的情況。隨著星際探測的進一步發展，飛行器面臨的熱環境更加嚴酷，對于輕質且耐燒蝕的新型防熱材料需求更加迫切，NASA阿姆斯材料研發團隊便是在此背景下開啟了PICA材料的研發。PICA材料采用低密度碳纖維預制體和新型浸漬工藝復合而成，其中纖維是纖維材料公司（FMI）生產的Fiberform碳纖維預制體，浸漬材料為酚醛樹脂。PICA材料所采用的纖維預制體密度在0.152~0.176g/cm3范圍，這種纖維預制體材料在鍋爐保溫等工業領域應用很廣泛；所用樹脂是由英國Borden公司提供的SC1008樹脂，也是復合材料常用樹脂?！　?　　NASA材料團隊對浸漬技術進行了深入研究，最終實現了通過控制浸漬工藝參數來調節材料密度并保證酚醛樹脂均勻分布的技術，并為此申請了專利。

【材料的燒蝕過程】

　　NASA在完成PICA材料研發后進行了大量的風洞燒蝕試驗，不僅對材料的燒蝕特性和機理作了深入分析，也對其失效機理和邊界條件作了探索。通過對比和分析大量試驗數據，他們認為PICA材料燒蝕過程可分為三個階段。

　　第一階段發生在熱流條件為425~570W/cm2范圍，燒蝕性能主要受氧化速率所控制，材料的燒蝕量也主要由氧化引起，燒蝕量隨著壓力的升高而增大。這主要因為表面壓力的提高增加了駐點表面氧原子濃度。

　　第二階段發生在熱流為570~1900范圍W/cm2，材料的燒蝕受到擴散控制，材料的散熱主要通表面輻射實現，材料的燒蝕量反而隨著壓力的增加而有所降低。

　　第三階段發生在熱流為2000W/cm2以上，材料的燒蝕機理主要受到碳的升華控制，這個階段材料的表面溫度非常高，從而材料中的碳直接發生升華反應，從而導致材料的防熱效率提高。

【型號應用】

　　PICA材料的首次應用是被選為星塵號返回艙的底部熱防護系統材料，用于保護返回艙在再入地球的過程中安全著陸。星塵號是NASA的行星間宇宙飛船，主要目標是探測維爾德二號彗星（comet wild 2）和它的彗發成分組成，所謂彗發就是環繞在彗核周圍的云狀物。彗星在繞太陽的軌道上運轉，當接近太陽時，太陽的熱力會使彗核物質熔解并升華為氣體，由此形成了彗發。星塵號于1999年2月9日發射升空，旅程達到46億公里，2006年1月15日返回艙在美國猶他州著陸。星塵號返回艙是當初再入速度最快的飛行器（135km高度再入速度12.4km/s），在110s的時間內飛船速度便從36馬赫數降低到了亞聲速，返回的過程中艙體表面的最高溫度達2900多攝氏度，據說猶他西部和內華達東部可以觀測到巨大的火球和音爆。

　　PICA材料的另一個應用便是火星科學實驗室（好奇心號）的底部熱防護系統材料。好奇心號是NASA的新一代核動力火星探測車，主要任務是調查火星過去或現在維持生命的可能性，并分析地表及巖石的組成成分。它于2011年11月26日發射，于2012年8月6日著陸在火星表面的蓋爾隕石坑。在著陸的過程中，主要是直徑達4.5m的底部熱防護系統來直接承受氣動加熱，該系統是當時太空飛行器中最大的熱防護系統。探測器在進入火星大氣層時速度從5.8km/s的速度減速到470m/s，降落傘打開再進一步減速然后拋掉熱防護系統以便于整個后續著陸，整個穿過火星大氣層的過程中飛行器表面最高溫度可達2090攝氏度。好奇心號探測器的著陸要求非常高，NASA科學家曾比喻著陸過程類似于洛杉磯發射一枚高爾夫球要擊入蘇格蘭圣安德魯斯市的一個高爾夫球洞。下面第一張圖中右側底部即為本文所述的熱防護系統，第二張圖為探測器拍攝到的火星表面。

【關鍵發明人物】

　　在NASA熱防護材料的發展歷程中，有許多科學家做出了巨大貢獻，這里不得不提到的便是本文中PICA材料的主要發明者——陳惠 (Huy Tran) 女士。這位國際一流的航天工程設計師于1963年出生在越南一個小鄉村里，小小年紀的她對航天展現出極大的興趣。幼時她的父親在南越海軍工作，但后來越南發生內戰北越戰勝了南越統一了越南。內戰后，陳惠全家逃難至印度尼西亞，在聯合國的難民營待了一年后到達美國。在全家九個孩子中陳惠排行老大，肩負起了家里八個弟弟妹妹的學習，在艱苦的條件下依舊考入了美國最大最優秀的社區學院之一迪安薩學院。在迪安薩學院學習期間，她成功申請到了NASA的實習機會并來到NASA阿姆斯研究中心，當時她被分配到防熱材料實驗室，憑借自己的努力付出獲得了實驗室的高度評價。在一年的實習結束之后，她繼續跟隨好幾位研究人員學習工作，在1990年獲得圣何西州立大學學士學位后，她又回到了NASA阿姆斯研究中心的防熱材料實驗室，成為了一名真正的航天工程設計人員。

　　在NASA的阿姆斯研究中心，她作為主要發明者先后研發了酚醛浸漬碳燒蝕材料PICA和有機硅浸漬耐燒蝕材料SIRCA。2003年，她獲得了NASA杰出工程成就獎 (NASA Exceptional Engineering Achievement Medal )；2007年，她和團隊發明的PICA獲得NASA的美國政府年度發明獎 (NASA 2007 Government Invention of the Year)；2008年，她被任命為NASA阿姆斯研究中心航空部副主任 (Deputy Director of Aeronautics)。從傳統碳酚醛到新型PICA，陳惠的研發經驗再一次表明創新思維與堅持不懈依然是促進科技向前發展的關鍵所在。