文章來源：中國航天科工集團(tuán)有限公司 發(fā)布時(shí)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(qiáng)國的重要標(biāo)志之一。
天問一號任務(wù)是我國獨(dú)立開展行星探測的第一步，通過一次發(fā)射便實(shí)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(dú)立自主研發(fā)的多項(xiàng)“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(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。
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(shí)，氣凝膠研制早已邁過了從0到1，組建團(tuán)隊(duì)、構(gòu)建試驗(yàn)室、搭建工程裝備的初創(chuàng)期，氣凝膠也從試驗(yàn)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(yàn)考核的穩(wěn)定構(gòu)件。經(jīng)過前期扎實(shí)的基礎(chǔ)研究，技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(yàn)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(duì)還是碰上了“硬茬”?；鹦侵戨A段，著陸發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量使周圍的溫度達(dá)到1000℃以上，“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?！皹O寒”考驗(yàn)則出現(xiàn)在火星巡視階段，要能夠確?；鹦擒囋?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)。
如果說科學(xué)發(fā)現(xiàn)還有靈光乍現(xiàn)的幸運(yùn)，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(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)測試且每一項(xiàng)試驗(yàn)都經(jīng)過多個(gè)批次的重復(fù)驗(yàn)證。最終，該團(tuán)隊(duì)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(gè)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(yùn)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(duì)在面對一次又一次急難險(xiǎn)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(gè)個(gè)認(rèn)可和榮譽(yù)。團(tuán)隊(duì)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(jī)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(yùn)飛船的低溫鎖柜中……
如今，該氣凝膠研發(fā)團(tuán)隊(duì)已將研究方向延展出了十幾個(gè)分支，產(chǎn)品遍及國防和民用兩個(gè)市場，年均直接經(jīng)濟(jì)效益超過2億元。面向十四五，團(tuán)隊(duì)提出了“更高性能和更多功能”的目標(biāo)，為下一個(gè)十年的空天征途續(xù)寫新的輝煌篇章。
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