在探索浩瀚宇宙的征途上，新一代运载火箭艰巨使命。火箭周身穿什么“铠甲”——表面防护材料，至关重要。因为，它既要承受500℃以上高温气流的猛烈冲刷，又要经受-183℃极端低温的暴击。今天上午颁发的2024年度上海市科技进步特等奖——上海交通大学朱新远教授领衔航天团队完成的“新一代运载火箭表面特种防护涂层技术与应用”项目，为我国新一代运载火箭打造坚不可摧的“防护铠甲”，能同时经得起极热极寒的“冰火两重天”。该项目在国际上首次提出并成功实践了“超支化聚合物涂层一体化防护”的全新路线，彻底颠覆传统隔热片拼接技术，开创了具有国际引领性的“中国方案”，为长征系列等新一代运载火箭的研制与批量生产，提供了坚实可靠的支撑。
勇闯航天材料“无人区”
披覆在火箭表面的防护层，是守护火箭安全升空的关键“屏障”，它要彻底保护好卫星整流罩和低温燃料贮箱这两大“要塞”。卫星整流罩位于火箭最前端，当火箭高速穿越稠密大气时，表面温度瞬间飙升至500℃以上。如此高温下，构成火箭主体的铝合金和复合材料的强度会急剧下降，舱内精密的仪器设备也会因高温“罢工”。国内外普遍采用手工粘贴防热软木片的方案，这种方案工艺繁琐、效率较低，质量难以精确控制，且软木片极易吸湿“鼓包”“脱粘”，返修率极高。而低温燃料贮箱里，是新一代火箭采用液氧等超低温燃料。燃料加注后，贮箱壁温度骤降至-183℃。传统贮箱采用的多层包覆防护技术不仅重量大、结构复杂，同样面临易脱粘分层的困境。为了克服上述问题，新型号火箭设计中取消了绝热层，尝试将防护涂层直接喷涂在冰冷的金属舱壁上。但普通防护涂层在如此极寒下会变得脆如薄冰，极易开裂、剥落失效，丧失保护作用。
图说：团队部分成员实验室合影（右二:朱新远教授，左二:张崇印博士）
“冰火交织”的严峻挑战如“达摩克利斯之剑”，严重威胁着火箭和卫星的安全。然而，颠覆性转折在上海交通大学校园里悄然孕育。上海交通大学朱新远教授团队，长期深耕于聚合物合成的科学前沿。该团队由我国著名高分子化学家颜德岳院士奠基，如今颜院士仍担任团队顾问。早在2009年，朱新远教授团队就取得了一项重要突破——发明了杂化聚合制备超支化聚合物的新方法，但当时苦于没有具体的工程需求牵引。“平行世界”里，张崇印博士2013年从上海交大毕业后，加入我国运载火箭两大总装基地之一的上海航天设备制造总厂有限公司，2015年开始负责上海航天设备制造总厂有限公司新一代火箭高分子防护材料的研制工作，急需破解整流罩和贮箱的防护难题。
师生情缘与家国使命共振，双方迅速联合上海宇航系统工程研究所等航天核心单位，组建了一支产学研用深度融合的攻关团队，聚焦前沿的超支化聚合物技术应用于解决火箭防护难题。在上海市科委的推动下，2018年，上海航天特种环境高分子功能材料工程技术研究中心正式获得批复。中心汇聚了高分子功能材料领域的顶尖智慧，形成“基础研究源头创新-核心技术攻关-工程化应用”的完整闭环创新链条。在这个体系中，上海交通大学潜心基础技术研究和新材料开发；上海宇航系统工程研究所聚焦航天器的热环境分析、仿真与地面试车验证；而上海航天设备制造总厂有限公司则肩负着将防热材料从实验室配方转化为可靠产品的重任，攻克工程化应用的“最后一公里”。
神奇涂层破局“无人区”
面对新一代火箭表面防护的“冰火两极”，团队提出了一个极具颠覆性的构想：抛弃传统的“拼拼补补”，采用一体成型的防护涂层！这种方案只需一次喷涂即可成型，彻底消除拼缝隐患，理论上能大幅提升可靠性，显著缩短生产周期。
实践发现，要打造满足火箭严苛要求的“防护铠甲”，难度超乎想象！这种涂层必须“粘得牢”（与金属/复合材料基体结合力超强）、“耐极温”（500℃以上的高温冲刷、-183℃低温冲击不开裂不失效）、“喷得好”。为了获得这些性能，必须在涂料中添加大量的功能填料（如耐高温、隔热、增强的微粒）。但当填料超过一定比例时，涂料瞬间变得“浓稠如泥”，根本无法喷涂。同时，填料也极易抱团（团聚），导致涂层内部应力集中，与基体的粘接力急剧下降。如何突破“粘得牢、耐极温、喷得好”的三重枷锁，成为横亘在团队面前的最大难关。
团结就是力量！跨团队的合作，让科学家们找到了堪称“艺术化”的材料设计之路。超支化聚合物是一种具有独特三维立体枝状结构的特种高分子，以往超支化聚合物合成依赖单一聚合机理，易交联、结构难调控，无法实现工业应用。团队另辟蹊径，创造性提出两种或多种聚合反应协同进行的杂化聚合新思想，成功将传统合成的“等活性”转化为“非等活性”调控，抑制了交联副反应，实现了结构精准定制的超支化聚合物的可控制备与规模化生产。
图说：2024年8月6日，长征六号甲运载火箭成功发射“千帆星座”首批组网卫星——千帆极轨01组卫星。
超支化聚合物就像神奇的“柔顺剂”和“万能胶”，其特殊结构能高效包裹、分散大量填料，大幅降低体系粘度，使其“喷得流畅”；同时其丰富的末端官能团又能与基体材料通过多种方式形成强力结合，如同八爪鱼般牢牢抓住基材，使涂层“粘得牢固”；另外，超支化聚合物独特的三维结构就像自带弹簧，在受到应力冲击的时候通过自身分子内部空间的收缩来进行缓冲，当应力消失后，分子又能恢复到原始状态，这种与生俱来的优异韧性赋予涂层抵抗极冷极热冲击而不开裂的能力。
“然而，并不是所有的超支化都可以展现出上述性能，并且在不同的应用环境需要开发相应的超支化结构，这样才能对症下药。”朱新远教授说。团队借助AI的力量，通过计算模拟并搭建相应的数据模型，在短时间内推算出所需的超支化结构，极大提升了开发效率。最终，团队成功攻克了超支化聚合物可控制备、高掺杂界面调控、极端环境耐受、机器人精准喷涂四大核心技术堡垒，实现高填料掺杂量下航天涂层依然具备强结合力、卓越耐极温性能和优异喷涂施工性的目标。
这不仅是一套技术，更是一套完整成熟的新一代运载火箭表面防护解决方案，为中国的火箭披上了一层高效可靠的“中国铠甲”，支撑着中国航天迈向更远的深空。该技术已成功应用于多个型号运载火箭，保障了新型号火箭的首飞任务，累计实现多次（二十余次运载领域）航天应用。
