文章來源：中國航天科工集團(tuán)有限公司 發(fā)布時間：2021-04-13
20世紀(jì)60年代起，人類就開始不斷地向火星發(fā)射探測器，火星探測能力成為航天強國的重要標(biāo)志之一。
天問一號任務(wù)是我國獨立開展行星探測的第一步，通過一次發(fā)射便實現(xiàn)了對火星的“繞、著、巡”，即火星環(huán)繞、火星著陸、火面巡視。在“天問一號”火星探測器中，使用了我國獨立自主研發(fā)的多項“黑科技”，其中就包括火星車用隔熱材料——納米氣凝膠，它可有效應(yīng)對“極熱”和“極寒”等嚴(yán)酷環(huán)境，其超輕特性極大地減小了火星車的負(fù)擔(dān)，讓火星車跑得更快，跑得更遠(yuǎn)。
神奇氣凝膠 脫穎而出
納米氣凝膠是一種并不被大眾熟知的神奇材料。它是由納米尺度的固體骨架構(gòu)成的一個三維立體網(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。
中國航天科工三院306所早在2005年就敏銳地捕捉到氣凝膠材料在空天領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，并開始自主投入，成為國內(nèi)最早開展氣凝膠材料研究的單位之一。當(dāng)2014年火星探測提出對熱防護(hù)的高要求時，氣凝膠研制早已邁過了從0到1，組建團(tuán)隊、構(gòu)建試驗室、搭建工程裝備的初創(chuàng)期，氣凝膠也從試驗室的瓶瓶罐罐，巴掌大的樣品成為通過關(guān)鍵型號高溫試驗考核的穩(wěn)定構(gòu)件。經(jīng)過前期扎實的基礎(chǔ)研究，技術(shù)團(tuán)隊已經(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)，先后發(fā)展了多型號的氣凝膠產(chǎn)品。
永不言棄 艱苦攻關(guān)
雖然有足夠的技術(shù)和經(jīng)驗積累，但面對“天問一號”新的嚴(yán)酷使役環(huán)境，氣凝膠團(tuán)隊還是碰上了“硬茬”。火星著陸階段，著陸發(fā)動機產(chǎn)生的熱量使周圍的溫度達(dá)到1000℃以上，“極熱”考驗超出了當(dāng)時世界上氣凝膠材料的耐溫極限。“極寒”考驗則出現(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)，需要氣凝膠具有超低密度，這對材料設(shè)計和制備都提出了巨大的挑戰(zhàn)。
如果說科學(xué)發(fā)現(xiàn)還有靈光乍現(xiàn)的幸運，那科學(xué)規(guī)律的探究和工程應(yīng)用沒有捷徑，氣凝膠研發(fā)團(tuán)隊嘗試了上百種配方，把幾十個工藝參數(shù)化整為零，開展了大量的驗證試驗，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項試驗測試且每一項試驗都經(jīng)過多個批次的重復(fù)驗證。最終，該團(tuán)隊研發(fā)的高性能氣凝膠材料如期趕上了飛往火星的航班。
僅僅10mm左右厚度的隔熱組件能夠在整個著陸過程中將上千攝氏度的高溫阻隔到可接受的溫度范圍，就像消防員身上穿的防火服；通過在火星車表面鋪設(shè)大面積的氣凝膠板，就像登山運動員身上穿的防寒服，不僅阻隔了環(huán)境的超低溫，而且同等體積下，重量只有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60。
創(chuàng)新無止境 再創(chuàng)輝煌
九層之臺起于壘土。氣凝膠研制團(tuán)隊在面對一次又一次急難險重任務(wù)，經(jīng)歷一次又一次從“0”到“1”的創(chuàng)造過程中，也收獲了一個個認(rèn)可和榮譽。團(tuán)隊研發(fā)的多系列氣凝膠產(chǎn)品在二十幾型航天裝備上獲得了應(yīng)用，研究成果先后獲得國家科技進(jìn)步獎、國防技術(shù)發(fā)明獎和中國專利金獎等。氣凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸拓展開來，例如作為長征五號系列火箭的發(fā)動機燃?xì)庀到y(tǒng)的隔熱材料，又如被制成真空隔熱板用在“天舟一號”貨運飛船的低溫鎖柜中……
如今，該氣凝膠研發(fā)團(tuán)隊已將研究方向延展出了十幾個分支，產(chǎn)品遍及國防和民用兩個市場，年均直接經(jīng)濟效益超過2億元。面向十四五，團(tuán)隊提出了“更高性能和更多功能”的目標(biāo)，為下一個十年的空天征途續(xù)寫新的輝煌篇章。
【責(zé)任編輯：家正】