為運載火箭打造“防護鎧甲”，上海市科技進步獎特等獎這樣煉成

　　8月26日，2024年度上海市科學技術(shù)獎正式頒布，由上海交通大學朱新遠教授領(lǐng)銜航天團隊完成的“新一代運載火箭表面特種防護涂層技術(shù)與應用”項目，榮膺上海市科技進步獎最高榮譽——特等獎。這項突破性的成果，在航天防護涂層領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

　　記者在采訪中了解到，朱新遠團隊在國際上首次提出并成功實踐了“超支化聚合物涂層一體化防護”的全新路線，徹底顛覆了傳統(tǒng)隔熱片拼接技術(shù)，開創(chuàng)了具有國際引領(lǐng)性的“中國方案”，為中國火箭披上了一層高效可靠的“防護鎧甲”，為長征系列等新一代運載火箭的研制與批量生產(chǎn)提供了堅實可靠的支撐，支撐著中國航天邁向更遠的深空。

　　“冰火九重天”的考驗

　　在探索浩瀚宇宙的征途上，新一代運載火箭肩負著艱巨使命，對覆蓋全身的表面防護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體系的關(guān)鍵，事關(guān)發(fā)射成敗。

　　朱新遠告訴記者，發(fā)射升空時，位于火箭頭部的衛(wèi)星整流罩在穿越稠密大氣層時需承受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合材料的強度會急劇下降，艙內(nèi)精密的儀器設備也會因高溫“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，新一代火箭表面防護面臨著“冰火九重天”的考驗。

　　過去，國內(nèi)外普遍采用在火箭外層手工粘貼防熱軟木片（又稱隔熱片），這種方案工藝繁瑣、制造周期長、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技術(shù)不僅重量大、結(jié)構(gòu)復雜，同樣面臨易脫粘分層的困境。

　　轉(zhuǎn)折點，來源于一次上海交大師生間的“跨界”碰撞。

　　朱新遠教授團隊長期深耕于聚合物合成的科學前沿，早在2009年就取得一項重要突破，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)域的應用可能性，但當時苦于沒有具體的工程需求牽引。期間，從上海交大畢業(yè)后加入上海航天設備制造總廠有限公司的張崇印，在2015年開始負責公司新一代火箭高分子防護材料的研制工作。面對整流罩和貯箱的防護難題，攻關(guān)團隊一度陷入困境、舉步維艱。就在這時，師生情緣與家國使命產(chǎn)生了奇妙的化學反應，得知消息的朱新遠教授找到了張崇印，表達了將前沿的超支化聚合物技術(shù)應用于解決火箭防護難題的合作意愿，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)學研用深度融合的攻關(guān)團隊。

　　在上海市科委的推動下，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，形成了“基礎研究源頭創(chuàng)新-核心技術(shù)攻關(guān)-工程化應用”的完整閉環(huán)創(chuàng)新鏈條。在這個體系中，上海交通大學潛心基礎技術(shù)研究和新材料開發(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、仿真與地面試車驗證，上海航天設備制造總廠有限公司負責將防熱材料從實驗室配方轉(zhuǎn)化為可靠產(chǎn)品，攻克工程化應用的“最后一公里”。

　　顛覆性構(gòu)想打造“防護鎧甲”

　　為了破解“冰火九重天”難題，攻關(guān)團隊提出了一個極具顛覆性的構(gòu)想：拋棄傳統(tǒng)的“拼拼補補”，采用一體成型的防護涂層。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，要打造滿足火箭嚴苛要求的“防護鎧甲”，難度超乎想象。普通防護涂層直接噴涂在冰冷的金屬艙壁上，在極寒下會變得脆如薄冰，極易開裂、剝落而喪失保護作用。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、增大強度的微粒。然而實踐發(fā)現(xiàn)，當功能填料超過一定比例時，涂料瞬間變得“濃稠如泥”，根本無法噴涂。同時，填料也極易抱團，導致涂層內(nèi)部應力集中，與基體的粘接力急劇下降。

　　如何才能實現(xiàn)“粘得牢、耐極溫、噴得好”？團隊另辟蹊徑，創(chuàng)造性提出兩種或多種聚合反應協(xié)同進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，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)精準定制的超支化聚合物的可控制備與規(guī)模化生產(chǎn)。

　　超支化聚合物就像神奇的“柔順劑”和“萬能膠”，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，其豐富的末端官能團又能與基體材料通過多種方式形成強力結(jié)合，如同八爪魚般牢牢抓住基材，使涂層“粘得牢固”；另外，超支化聚合物獨特的三維結(jié)構(gòu)就像自帶彈簧，在受到應力沖擊的時候，通過自身分子內(nèi)部空間的收縮來進行緩沖。當應力消失后，分子又能恢復到原始狀態(tài)。這種優(yōu)異韌性，賦予了涂層抵抗極冷極熱沖擊而不開裂的能力，為中國火箭披上了一層高效可靠的“防護鎧甲”，支撐著中國航天邁向更遠的深空。

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

　　澎湃新聞記者在采訪中了解到，“新一代運載火箭表面特種防護涂層技術(shù)與應用”項目成果已成功應用于多個型號運載火箭，累計實現(xiàn)多次航天應用，特別是在我國首型固體捆綁火箭長征六號甲為代表的任務中發(fā)揮關(guān)鍵作用。2024年8月6日，長征六號甲運載火箭成功將“千帆星座”首批組網(wǎng)衛(wèi)星——千帆極軌01組衛(wèi)星送入預定軌道。這些應用成果，不僅驗證了超支化聚合物材料的先進性能，更體現(xiàn)了產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新在突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸、服務國家需求方面的重要價值。

　　“新一代運載火箭表面特種防護涂層技術(shù)與應用，使火箭表面的防護工期從原先的一個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。”朱新遠透露，團隊還將高性能聚合物技術(shù)拓展至民用領(lǐng)域，應用于北京冬奧會場館、巴黎奧運會設施、上海盧浦大橋等標志性工程，不僅創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益，更打破了國外企業(yè)對高端工業(yè)涂料的技術(shù)壟斷。