給“天問一號”穿上防護(hù)衣

“天問一號”探測器計(jì)劃于5月至6月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸，開展巡視探測。“天問一號”任務(wù)是我國獨(dú)立開展行星際探測的第一步，將通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)對火星的“繞、著、巡”，即火星環(huán)繞、火星著陸、火面巡視。這是世界航天史上還沒有過的先例。

在“天問一號”火星探測器中，使用了我國獨(dú)立自主研發(fā)的多項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，其中，火星車采用了中國航天科工三院306所研發(fā)的新型隔熱保溫材料——納米氣凝膠，該材料將分別用來應(yīng)對“極熱”和“極寒”兩種嚴(yán)酷環(huán)境，同時(shí)以其超輕特性極大地減小火星車的負(fù)擔(dān)，讓它跑得更快，跑得更遠(yuǎn)。

“火”與“冰”的考驗(yàn)

納米氣凝膠是一種由納米尺度的固體骨架構(gòu)成的一個(gè)三維立體網(wǎng)絡(luò)，它的密度可以做到比空氣還輕，是世界上最輕的固體;導(dǎo)熱系數(shù)僅為靜止空氣的一半，是導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體，這使它成為“天問一號”應(yīng)對極寒、極熱等嚴(yán)酷環(huán)境所需熱防護(hù)材料的不二之選。

306所作為航天科工集團(tuán)的特種材料及工藝技術(shù)研究中心，已經(jīng)掌握了氣凝膠結(jié)構(gòu)可控制備和工程應(yīng)用的全套技術(shù)，該所研制的氣凝膠材料在航天領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，涉及的航天裝備超過30個(gè)型號。比如，在長征五號系列火箭上主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)高溫燃?xì)庀到y(tǒng)的隔熱。在天舟一號任務(wù)中，把氣凝膠做成真空隔熱板安裝在低溫鎖柜中，在飛船中搭建了超級冰箱。

“我們系列化的氣凝膠產(chǎn)品可以說已經(jīng)經(jīng)歷了大量‘火’與‘冰’的考驗(yàn)。”該所所長柳曉輝對記者講道。

雖然前期有足夠的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累，但接到為“天問一號”研發(fā)熱防護(hù)材料的任務(wù)后，面對“天問一號”新的嚴(yán)酷使役環(huán)境，306所氣凝膠團(tuán)隊(duì)還是碰上了“硬茬”。

火星著陸階段，著陸發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量使周圍的溫度超過1000℃，“極熱”考驗(yàn)超出了當(dāng)時(shí)世界上氣凝膠材料的耐溫極限。“極寒”考驗(yàn)出現(xiàn)在火星巡視階段，要能夠確保火星車在-130℃的環(huán)境正常工作，更難的是，為了給火星車減負(fù)，需要?dú)饽z具有超低密度，這對材料設(shè)計(jì)和制備都提出了巨大的挑戰(zhàn)。

艱難攻關(guān)不尋常

面對“天問一號”的嚴(yán)酷工作環(huán)境，306所氣凝膠研發(fā)團(tuán)隊(duì)嘗試了上百種配方，把幾十個(gè)工藝參數(shù)化整為零，開展了大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，經(jīng)歷一次次失敗，一次次從頭再來，終于解決了原理性問題。

為了確保萬無一失，“天問一號”上用到的兩種氣凝膠材料先后經(jīng)過了物理特性、力學(xué)性能、隔熱性能和空間環(huán)境耐候性能等四大類總共98項(xiàng)試驗(yàn)測試。而且每一項(xiàng)試驗(yàn)都需要經(jīng)過多個(gè)批次的重復(fù)驗(yàn)證。最終，這兩種高性能氣凝膠材料如期趕上了飛往火星的航班。

據(jù)介紹，僅僅10mm左右的隔熱組件能夠在整個(gè)著陸過程中能夠阻隔1000℃以上的高溫，使其另一側(cè)的溫度保持在可接受的范圍;通過在火星車表面鋪設(shè)大面積的氣凝膠板，不僅阻隔了火星表面的超低溫，而且自身的密度只有15mg/cm3，即同等體積下，重量只有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60，保障火星車“跑”得更快，“跑”得更遠(yuǎn)。

“天問一號”即將在火星著陸，團(tuán)隊(duì)的科研人員正密切關(guān)注“天問一號”的任務(wù)進(jìn)展，談到后續(xù)落火的安排時(shí)，該所副所長、團(tuán)隊(duì)帶頭人張昊講道：“成功落火后，根據(jù)總體單位反饋的回傳數(shù)據(jù)，將進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析工作，用于指導(dǎo)后續(xù)材料的性能優(yōu)化。”

飛入尋常百姓家

如今，看起來神奇的氣凝膠材料產(chǎn)品不僅服務(wù)于航天領(lǐng)域，也正在飛入尋常百姓家。

“實(shí)際上，我們的高性能隔熱復(fù)合材料不僅能‘上九天攬?jiān)?rsquo;，服務(wù)于航空航天高端領(lǐng)域，其在日常民用市場也占據(jù)了一席之地。”柳曉輝介紹，該所正在推動高性能復(fù)合材料技術(shù)向民用市場的轉(zhuǎn)化，利用所掌握的技術(shù)，更好地服務(wù)于國計(jì)民生。

據(jù)了解，該所研制的氣凝膠防寒服、防寒靴被譽(yù)為新一代超輕超保暖產(chǎn)品，鋼包保溫隔熱產(chǎn)品幫助鋼鐵企業(yè)節(jié)約了大量能源成本，同時(shí)在新能源汽車上也應(yīng)用了氣凝膠產(chǎn)品。此外，該所還開展了氣凝膠真空隔熱板在超級節(jié)能冰箱中的應(yīng)用研究等，布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的發(fā)展路線。

談到未來的規(guī)劃時(shí)，柳曉輝講道，要瞄準(zhǔn)世界一流水平，加快新材料、新技術(shù)、新產(chǎn)品研發(fā)，未來5年實(shí)現(xiàn)不少于5項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于國家重大戰(zhàn)略領(lǐng)域。(于忠寧)

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