天問(wèn)一號”防護衣應對“火”與“冰”的考驗 艱難攻關(guān)不尋常

“天問(wèn)一號”探測器計劃于5月至6月?lián)駲C實(shí)施火星著(zhù)陸，開(kāi)展巡視探測。“天問(wèn)一號”任務(wù)是我國獨立開(kāi)展行星際探測的第一步，將通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現對火星的“繞、著(zhù)、巡”，即火星環(huán)繞、火星著(zhù)陸、火面巡視。這是世界航天史上還沒(méi)有過(guò)的先例。

在“天問(wèn)一號”火星探測器中，使用了我國獨立自主研發(fā)的多項科學(xué)技術(shù)，其中，火星車(chē)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(lái)應對“極熱”和“極寒”兩種嚴酷環(huán)境，同時(shí)以其超輕特性極大地減小火星車(chē)的負擔，讓它跑得更快，跑得更遠。

“火”與“冰”的考驗

納米氣凝膠是一種由納米尺度的固體骨架構成的一個(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;導熱系數僅為靜止空氣的一半，是導熱系數最低的固體，這使它成為“天問(wèn)一號”應對極寒、極熱等嚴酷環(huán)境所需熱防護材料的不二之選。

306所作為航天科工集團的特種材料及工藝技術(shù)研究中心，已經(jīng)掌握了氣凝膠結構可控制備和工程應用的全套技術(shù)，該所研制的氣凝膠材料在航天領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應用，涉及的航天裝備超過(guò)30個(gè)型號。比如，在長(cháng)征五號系列火箭上主要應用于發(fā)動(dòng)機高溫燃氣系統的隔熱。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(shuō)已經(jīng)經(jīng)歷了大量‘火’與‘冰’的考驗。”該所所長(cháng)柳曉輝對記者講道。

雖然前期有足夠的技術(shù)和經(jīng)驗積累，但接到為“天問(wèn)一號”研發(fā)熱防護材料的任務(wù)后，面對“天問(wèn)一號”新的嚴酷使役環(huán)境，306所氣凝膠團隊還是碰上了“硬茬”。

火星著(zhù)陸階段，著(zhù)陸發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的熱量使周?chē)臏囟瘸^(guò)1000℃，“極熱”考驗超出了當時(shí)世界上氣凝膠材料的耐溫極限。“極寒”考驗出現在火星巡視階段，要能夠確?；鹦擒?chē)在-130℃的環(huán)境正常工作，更難的是，為了給火星車(chē)減負，需要氣凝膠具有超低密度，這對材料設計和制備都提出了巨大的挑戰。

艱難攻關(guān)不尋常

面對“天問(wèn)一號”的嚴酷工作環(huán)境，306所氣凝膠研發(fā)團隊嘗試了上百種配方，把幾十個(gè)工藝參數化整為零，開(kāi)展了大量的驗證試驗，經(jīng)歷一次次失敗，一次次從頭再來(lái)，終于解決了原理性問(wèn)題。

為了確保萬(wàn)無(wú)一失，“天問(wèn)一號”上用到的兩種氣凝膠材料先后經(jīng)過(guò)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(lèi)總共98項試驗測試。而且每一項試驗都需要經(jīng)過(guò)多個(gè)批次的重復驗證。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。

據介紹，僅僅10mm左右的隔熱組件能夠在整個(gè)著(zhù)陸過(guò)程中能夠阻隔1000℃以上的高溫，使其另一側的溫度保持在可接受的范圍;通過(guò)在火星車(chē)表面鋪設大面積的氣凝膠板，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(chē)“跑”得更快，“跑”得更遠。

“天問(wèn)一號”即將在火星著(zhù)陸，團隊的科研人員正密切關(guān)注“天問(wèn)一號”的任務(wù)進(jìn)展，談到后續落火的安排時(shí)，該所副所長(cháng)、團隊帶頭人張昊講道：“成功落火后，根據總體單位反饋的回傳數據，將進(jìn)行數據的整理和分析工作，用于指導后續材料的性能優(yōu)化。”

飛入尋常百姓家

如今，看起來(lái)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合材料不僅能‘上九天攬月’，服務(wù)于航空航天高端領(lǐng)域，其在日常民用市場(chǎng)也占據了一席之地。”柳曉輝介紹，該所正在推動(dòng)高性能復合材料技術(shù)向民用市場(chǎng)的轉化，利用所掌握的技術(shù)，更好地服務(wù)于國計民生。

據了解，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)節約了大量能源成本，同時(shí)在新能源汽車(chē)上也應用了氣凝膠產(chǎn)品。此外，該所還開(kāi)展了氣凝膠真空隔熱板在超級節能冰箱中的應用研究等，布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節能等領(lǐng)域的發(fā)展路線(xiàn)。

談到未來(lái)的規劃時(shí)，柳曉輝講道，要瞄準世界一流水平，加快新材料、新技術(shù)、新產(chǎn)品研發(fā)，未來(lái)5年實(shí)現不少于5項技術(shù)應用于國家重大戰略領(lǐng)域。

于忠寧

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