Керамику для защиты спускаемых аппаратов испытали в условиях атмосферы Марса

Композит на основе диборида циркония выдержал испытания струёй углекислотной плазмы, близкой по условиям к входу в марсианскую атмосферу. Потеря массы составила 0,2 %.

Сотрудники трёх институтов РАН — Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова, Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского и Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова — изготовили и испытали материал, который может защищать спускаемые аппараты при входе в атмосферу Марса. Результаты опубликованы в «Журнале неорганической химии» (10, 2026).

Атмосфера Марса на 95 % состоит из углекислого газа и в 80 раз менее плотная, чем земная. Но при высокой скорости входа зонд сильно нагревается, а молекулы CO₂ распадаются на угарный газ и активный атомарный кислород, которые разрушают материал. Среди устойчивых кандидатов рассматривают ультравысокотемпературную керамику: такие материалы выдерживают нагрев свыше 2000 °C.

Исследовали состав ZrB2 — 30 об. % SiC с добавлением 10 об. % графита. Основа композита — тугоплавкий диборид циркония. Карбид кремния добавили для стойкости к окислению, графит — для улучшения некоторых механических свойств. Материал получили горячим прессованием при 1800 °C и давлении 30 МПа.

Образцы закрепили в медной водоохлаждаемой модели и подвергли воздействию струи CO₂-плазмы, которую создавали плазмотроном при давлении около 10 кПа (примерно 0,1 атм). Мощность плазмотрона ступенчато повышали. Даже на максимальной мощности температура поверхности не превысила 1450 °C. Поэтому унос материала оказался незначительным: за время, сопоставимое со спуском в атмосфере Марса, потеря массы составила 0,2 %, а скорость уноса — 3,1 × 10⁻⁴ г см⁻² мин⁻¹. Толщина окисленного слоя выросла незначительно.

Основным кристаллическим продуктом реакции стал моноклинный диоксид циркония, найдены следы тетрагонального диоксида кремния. Признаков выгорания графита учёные не обнаружили. По их предположению, защиту обеспечил боросиликатный расплав — стекловидный слой на поверхности образца.

Авторы считают, что композит перспективен для защиты наиболее термонагруженных узлов спускаемых аппаратов. Вместе с тем требования к космической технике могут предусматривать устойчивость к тепловым потокам большей плотности и давления, поэтому, по их словам, нужны дальнейшие исследования. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.

РАН