【何謂PICA材料】

　　PICA即Phenolic Impregnated Carbon Ablator的縮寫(xiě)，中文名稱為酚醛浸漬碳燒蝕材料，它目前是美國(guó)NASA星際探索項(xiàng)目中最重要的熱防護(hù)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(guò)燒蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)的材料，且主要成分包括酚醛和碳材兩部分。事實(shí)上，由碳和酚醛組成的材料最常見(jiàn)的是美國(guó)國(guó)防部（DoD）的碳/酚醛（Carbon Phenolic）復(fù)合材料，而它的誕生時(shí)期要比PICA材料早很多，通常是洲際導(dǎo)彈彈頭的熱防護(hù)材料。碳/酚醛可通過(guò)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(duì)于碳/酚醛而言其密度要低很多，材料密度可根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)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(guó)一些飛船著陸/再入過(guò)程中熱環(huán)境和熱防護(hù)材料應(yīng)用情況，圖中橫坐標(biāo)為駐點(diǎn)壓力，縱坐標(biāo)為峰值熱流。由圖可知，SLA主要應(yīng)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(guò)程中表面會(huì)受到氣動(dòng)加熱，這種氣動(dòng)加熱程度通?？梢圆捎脽崃?、焓值和壓力來(lái)評(píng)價(jià)，這三個(gè)參數(shù)具有一定的匹配關(guān)系，因此根據(jù)熱流和壓力基本可表征熱環(huán)境特點(diǎn)。

　　熱防護(hù)系統(tǒng)材料在設(shè)計(jì)和選擇時(shí)，首先要保證材料能夠承受嚴(yán)酷的氣動(dòng)熱環(huán)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(nèi)部的儀器設(shè)備都不能忍受太高的溫度，因此需要足夠厚度的熱防護(hù)材料才能保證設(shè)備正常工作。若材料的隔熱性能差，那么熱防護(hù)材料必然變厚，導(dǎo)致外部殼體非常笨重。在火箭推力不變的情況下必然會(huì)壓縮飛船內(nèi)部其它科學(xué)儀器或者設(shè)備的質(zhì)量和空間，大大降低有效載荷。

　　由此可見(jiàn)，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(huì)損失一些力學(xué)性能，但是對(duì)于飛船著陸/再入時(shí)而言，這種材料輕質(zhì)化所帶來(lái)的效益是更加可觀的。

【材料的研發(fā)】

　　從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美蘇開(kāi)啟了火星探測(cè)之路，那個(gè)時(shí)期的海盜號(hào)、探路者號(hào)的熱防護(hù)系統(tǒng)均采用了SLA材料，這種材料前文我們已經(jīng)介紹到主要用于熱流在300W/cm2以下的情況。隨著星際探測(cè)的進(jìn)一步發(fā)展，飛行器面臨的熱環(huán)境更加嚴(yán)酷，對(duì)于輕質(zhì)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(fā)團(tuán)隊(duì)便是在此背景下開(kāi)啟了PICA材料的研發(fā)。PICA材料采用低密度碳纖維預(yù)制體和新型浸漬工藝復(fù)合而成，其中纖維是纖維材料公司（FMI）生產(chǎn)的Fiberform碳纖維預(yù)制體，浸漬材料為酚醛樹(shù)脂。PICA材料所采用的纖維預(yù)制體密度在0.152~0.176g/cm3范圍，這種纖維預(yù)制體材料在鍋爐保溫等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛；所用樹(shù)脂是由英國(guó)Borden公司提供的SC1008樹(shù)脂，也是復(fù)合材料常用樹(shù)脂?！　?　　NASA材料團(tuán)隊(duì)對(duì)浸漬技術(shù)進(jìn)行了深入研究，最終實(shí)現(xiàn)了通過(guò)控制浸漬工藝參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)材料密度并保證酚醛樹(shù)脂均勻分布的技術(shù)，并為此申請(qǐng)了專利。

【材料的燒蝕過(guò)程】

　　NASA在完成PICA材料研發(fā)后進(jìn)行了大量的風(fēng)洞燒蝕試驗(yàn)，不僅對(duì)材料的燒蝕特性和機(jī)理作了深入分析，也對(duì)其失效機(jī)理和邊界條件作了探索。通過(guò)對(duì)比和分析大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們認(rèn)為PICA材料燒蝕過(guò)程可分為三個(gè)階段。

　　第一階段發(fā)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?yàn)楸砻鎵毫Φ奶岣咴黾恿笋v點(diǎn)表面氧原子濃度。

　　第二階段發(fā)生在熱流為570~1900范圍W/cm2，材料的燒蝕受到擴(kuò)散控制，材料的散熱主要通表面輻射實(shí)現(xiàn)，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(fā)生在熱流為2000W/cm2以上，材料的燒蝕機(jī)理主要受到碳的升華控制，這個(gè)階段材料的表面溫度非常高，從而材料中的碳直接發(fā)生升華反應(yīng)，從而導(dǎo)致材料的防熱效率提高。

【型號(hào)應(yīng)用】

　　PICA材料的首次應(yīng)用是被選為星塵號(hào)返回艙的底部熱防護(hù)系統(tǒng)材料，用于保護(hù)返回艙在再入地球的過(guò)程中安全著陸。星塵號(hào)是NASA的行星間宇宙飛船，主要目標(biāo)是探測(cè)維爾德二號(hào)彗星（comet wild 2）和它的彗發(fā)成分組成，所謂彗發(fā)就是環(huán)繞在彗核周圍的云狀物。彗星在繞太陽(yáng)的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)接近太陽(yáng)時(shí)，太陽(yáng)的熱力會(huì)使彗核物質(zhì)熔解并升華為氣體，由此形成了彗發(fā)。星塵號(hào)于1999年2月9日發(fā)射升空，旅程達(dá)到46億公里，2006年1月15日返回艙在美國(guó)猶他州著陸。星塵號(hào)返回艙是當(dāng)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(shí)間內(nèi)飛船速度便從36馬赫數(shù)降低到了亞聲速，返回的過(guò)程中艙體表面的最高溫度達(dá)2900多攝氏度，據(jù)說(shuō)猶他西部和內(nèi)華達(dá)東部可以觀測(cè)到巨大的火球和音爆。

　　PICA材料的另一個(gè)應(yīng)用便是火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（好奇心號(hào)）的底部熱防護(hù)系統(tǒng)材料。好奇心號(hào)是NASA的新一代核動(dòng)力火星探測(cè)車，主要任務(wù)是調(diào)查火星過(guò)去或現(xiàn)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(fā)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(guò)程中，主要是直徑達(dá)4.5m的底部熱防護(hù)系統(tǒng)來(lái)直接承受氣動(dòng)加熱，該系統(tǒng)是當(dāng)時(shí)太空飛行器中最大的熱防護(hù)系統(tǒng)。探測(cè)器在進(jìn)入火星大氣層時(shí)速度從5.8km/s的速度減速到470m/s，降落傘打開(kāi)再進(jìn)一步減速然后拋掉熱防護(hù)系統(tǒng)以便于整個(gè)后續(xù)著陸，整個(gè)穿過(guò)火星大氣層的過(guò)程中飛行器表面最高溫度可達(dá)2090攝氏度。好奇心號(hào)探測(cè)器的著陸要求非常高，NASA科學(xué)家曾比喻著陸過(guò)程類似于洛杉磯發(fā)射一枚高爾夫球要擊入蘇格蘭圣安德魯斯市的一個(gè)高爾夫球洞。下面第一張圖中右側(cè)底部即為本文所述的熱防護(hù)系統(tǒng)，第二張圖為探測(cè)器拍攝到的火星表面。

【關(guān)鍵發(fā)明人物】

　　在NASA熱防護(hù)材料的發(fā)展歷程中，有許多科學(xué)家做出了巨大貢獻(xiàn)，這里不得不提到的便是本文中PICA材料的主要發(fā)明者——陳惠 (Huy Tran) 女士。這位國(guó)際一流的航天工程設(shè)計(jì)師于1963年出生在越南一個(gè)小鄉(xiāng)村里，小小年紀(jì)的她對(duì)航天展現(xiàn)出極大的興趣。幼時(shí)她的父親在南越海軍工作，但后來(lái)越南發(fā)生內(nèi)戰(zhàn)北越戰(zhàn)勝了南越統(tǒng)一了越南。內(nèi)戰(zhàn)后，陳惠全家逃難至印度尼西亞，在聯(lián)合國(guó)的難民營(yíng)待了一年后到達(dá)美國(guó)。在全家九個(gè)孩子中陳惠排行老大，肩負(fù)起了家里八個(gè)弟弟妹妹的學(xué)習(xí)，在艱苦的條件下依舊考入了美國(guó)最大最優(yōu)秀的社區(qū)學(xué)院之一迪安薩學(xué)院。在迪安薩學(xué)院學(xué)習(xí)期間，她成功申請(qǐng)到了NASA的實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)并來(lái)到NASA阿姆斯研究中心，當(dāng)時(shí)她被分配到防熱材料實(shí)驗(yàn)室，憑借自己的努力付出獲得了實(shí)驗(yàn)室的高度評(píng)價(jià)。在一年的實(shí)習(xí)結(jié)束之后，她繼續(xù)跟隨好幾位研究人員學(xué)習(xí)工作，在1990年獲得圣何西州立大學(xué)學(xué)士學(xué)位后，她又回到了NASA阿姆斯研究中心的防熱材料實(shí)驗(yàn)室，成為了一名真正的航天工程設(shè)計(jì)人員。

　　在NASA的阿姆斯研究中心，她作為主要發(fā)明者先后研發(fā)了酚醛浸漬碳燒蝕材料PICA和有機(jī)硅浸漬耐燒蝕材料SIRCA。2003年，她獲得了NASA杰出工程成就獎(jiǎng) (NASA Exceptional Engineering Achievement Medal )；2007年，她和團(tuán)隊(duì)發(fā)明的PICA獲得NASA的美國(guó)政府年度發(fā)明獎(jiǎng) (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(tǒng)碳酚醛到新型PICA，陳惠的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)再一次表明創(chuàng)新思維與堅(jiān)持不懈依然是促進(jìn)科技向前發(fā)展的關(guān)鍵所在。