如果将运载火箭比喻成探索太空的“游子”，那么，为了让它们扛住旅途中极热极冷的考验，全球航天机构普遍会为它们“临行密密缝”，也就是将一片片隔热材料拼接成“护体铠甲”。然而，随着商业航天的迅速发展，面对越来越快的发射节奏，这身穿了几十年的“游子身上衣”，其工序繁琐、自身沉重、可靠性不足的缺点正被急剧放大。 对此，上海交通大学朱新远教授领衔的航天团队，以全球首创的全新材料和技术路线，用类似喷涂的方法，为运载火箭快速“喷”出一整套轻巧、可靠、无拼缝的新型“防护衣”，改写火箭表面防护范式，奠定了我国在该领域的领先地位。今天（8月26日），这一成果荣获2024年度上海市科技进步奖特等奖。 运载火箭要奔赴星辰大海，做好表面防护是关键挑战。高速穿越大气时，位于箭首的整流罩得承受超过?500℃的?气流冲刷；箭体的燃料贮箱则因液氧等深低温推进剂燃料，必须耐得住零下183℃的考验。经过多年探索试错，隔热结构拼接防护方案成为各航天大国的普遍选择。 然而，这身“铠甲”存在诸多天然不足：一方面，以手工作业为主的拼接周期长、成本高；更重要的是，由于隔热片之间存在拼缝，“铠甲”整体的可靠性有限，加工后易鼓包、脱粘，极端情况下甚至可能被高温击穿，导致灾难性后果——美国哥伦比亚号航天飞机失事，以及不久前太空探索公司的星舰在试飞中解体，都与热防护材料的局部失效有关。 以往，人们通过投入更多时间、资源查漏补缺。但当前，太空轨道资源竞争愈演愈烈，要抢到太空“黄金地段”，必须持续以快节奏将卫星一批批送入太空?。为此，锤炼出高可靠、高效率、低成本的火箭发射技术，已成为国家战略能力。而彻底解决火箭外层防护难题，则是绕不开的关键一环。 用“颠覆”来描述朱新远团队对火箭表面防护技术的创新并不为过。简单说，其核心就是“化拼接为喷涂”。他们研发出一类性能优异的高分子材料及设备、工艺，可像整车厂给汽车喷漆那样，将特种热防护涂料喷在火箭外部，干燥后一体成型，实现对火箭表面的无缝覆盖。 这一全球首创的喷涂方案之所以难以复制，是因为要跨越三大挑战：一是涂层必须?“粘得牢”，要和金属、复合材料等火箭基体具有超强结合力；二是必须“耐得住”，在高温和低温考验下不开裂、不失效；三是必须“喷得好”?，涂料如果没有足够的流动性，就无法喷涂。 某种意义上，这三大挑战彼此牵制，构成了一个“不可能三角”：想要“粘得牢、耐得住”，必须在涂料基底成分中加入大量耐高温、隔热的无机功能性填料；而一旦加入填料，又很容易使涂料浓稠如凝胶，无法喷涂，同时还会大幅削弱涂层?与火箭表面的结合力?。 面对这道横亘于全球航天界的难题，朱新远团队创造性地?提出“杂化聚合”法，可制备出一种特殊的高分子材料——超支化聚合物。这类材料拥有独特三维枝状结构，既像“万能胶”，能与功能填料完美结合，还自带“柔顺剂”，可大幅降低涂料体系的粘度。此外，其富有弹性的“枝杈”就像八爪鱼的腿，既可牢牢抓住基材，又极富韧性不易开裂。 实测表明，与拼接隔热片方案相比，这一技术的成本和重量都降低了80%以上，制造周期和维护便利性也远胜以往。研发过程中，他们还借力AI，帮助推算最理想的超支化结构，加速为不同航天器定制“防护服”。目前，该材料已成功应用于多型号火箭，累计实现20余次航天应用，尤其在我国首型固体捆绑火箭“长征六号甲”为代表的任务中发挥了关键作用。 在火箭防护技术领域走到世界前列，不仅源于团队的学术能力，同样关键的是他们形成了“基础研究源头创新-核心技术攻关-工程化应用”的创新闭环。 师从我国著名高分子化学家颜德岳院士的朱新远，自上世纪90年代进入上海交大后，一直深耕于聚合物合成的科学前沿，经过“十年磨剑”，?他和团队在2009年发明了杂化聚合制备超支化聚合物的新方法。当时，朱新远虽已预见到这种材料可用于航天，但苦于缺乏具体的工程需求牵引。直到几年后，他与上海航天设备制造总厂有限公司张崇印团队展开合作，同时联手上海宇航系统工程研究所，一起研发新一代火箭防护材料，整条创新链被完全打通。 在这个跨界合作体系中，上海交大主攻基础研究和材料开发，?上海宇航系统工程研究所?聚焦航天任务的需求分析、仿真验证，上海航天设备制造总厂?则负责将实验里的新材料转化为产物。为深化产学研用融合，在市科委推动下，各方还组建了上海市航天特种环境高分子功能材料工程技术研究中心。最终，团队开创了一条革命性的新技术路线，凸显了协同创新在服务国家战略、突破关键技术方面的重要价值。 如今，朱新远团队还在进一步探索新防护技术在航天领域的应用，包括为卫星、空间站等更多飞行器开发防护涂层，以提升它们应对宇宙射线、巨大温差等恶劣空间环境的耐受力，甚至要确保“防护衣”在太空安全服役20年。这一代表国际顶尖水平的中国方案，将为我国迈向更远的深空提供坚实支撑。
