“火”与“冰”的考验 给“天问一号”穿上防护衣

来源: 南方日报网络版     时间: 2021-04-15 09:41:15

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  给“天问一号”穿上防护衣

  “天问一号”探测器计划于5月至6月择机实施火星着陆,开展巡视探测。“天问一号”任务是我国独立开展行星际探测的第一步,将通过一次发射实现对火星的“绕、着、巡”,即火星环绕、火星着陆、火面巡视。这是世界航天史上还没有过的先例。

  在“天问一号”火星探测器中,使用了我国独立自主研发的多项科学技术,其中,火星车采用了中国航天科工三院306所研发的新型隔热保温材料——纳米气凝胶,该材料将分别用来应对“极热”和“极寒”两种严酷环境,同时以其超轻特性极大地减小火星车的负担,让它跑得更快,跑得更远。

  “火”与“冰”的考验

  纳米气凝胶是一种由纳米尺度的固体骨架构成的一个三维立体网络,它的密度可以做到比空气还轻,是世界上最轻的固体;导热系数仅为静止空气的一半,是导热系数最低的固体,这使它成为“天问一号”应对极寒、极热等严酷环境所需热防护材料的不二之选。

  306所作为航天科工集团的特种材料及工艺技术研究中心,已经掌握了气凝胶结构可控制备和工程应用的全套技术,该所研制的气凝胶材料在航天领域已经获得了广泛的应用,涉及的航天装备超过30个型号。比如,在长征五号系列火箭上主要应用于发动机高温燃气系统的隔热。在天舟一号任务中,把气凝胶做成真空隔热板安装在低温锁柜中,在飞船中搭建了超级冰箱。

  “我们系列化的气凝胶产品可以说已经经历了大量‘火’与‘冰’的考验。”该所所长柳晓辉对记者讲道。

  虽然前期有足够的技术和经验积累,但接到为“天问一号”研发热防护材料的任务后,面对“天问一号”新的严酷使役环境,306所气凝胶团队还是碰上了“硬茬”。

  火星着陆阶段,着陆发动机产生的热量使周围的温度超过1000℃,“极热”考验超出了当时世界上气凝胶材料的耐温极限。“极寒”考验出现在火星巡视阶段,要能够确保火星车在-130℃的环境正常工作,更难的是,为了给火星车减负,需要气凝胶具有超低密度,这对材料设计和制备都提出了巨大的挑战。

  艰难攻关不寻常

  面对“天问一号”的严酷工作环境,306所气凝胶研发团队尝试了上百种配方,把几十个工艺参数化整为零,开展了大量的验证试验,经历一次次失败,一次次从头再来,终于解决了原理性问题。

  为了确保万无一失,“天问一号”上用到的两种气凝胶材料先后经过了物理特性、力学性能、隔热性能和空间环境耐候性能等四大类总共98项试验测试。而且每一项试验都需要经过多个批次的重复验证。最终,这两种高性能气凝胶材料如期赶上了飞往火星的航班。

  据介绍,仅仅10mm左右的隔热组件能够在整个着陆过程中能够阻隔1000℃以上的高温,使其另一侧的温度保持在可接受的范围;通过在火星车表面铺设大面积的气凝胶板,不仅阻隔了火星表面的超低温,而且自身的密度只有15mg/cm3,即同等体积下,重量只有钢的1/500,铝的1/180,水的1/60,保障火星车“跑”得更快,“跑”得更远。

  “天问一号”即将在火星着陆,团队的科研人员正密切关注“天问一号”的任务进展,谈到后续落火的安排时,该所副所长、团队带头人张昊讲道:“成功落火后,根据总体单位反馈的回传数据,将进行数据的整理和分析工作,用于指导后续材料的性能优化。”

  飞入寻常百姓家

  如今,看起来神奇的气凝胶材料产品不仅服务于航天领域,也正在飞入寻常百姓家。

  “实际上,我们的高性能隔热复合材料不仅能‘上九天揽月’,服务于航空航天高端领域,其在日常民用市场也占据了一席之地。”柳晓辉介绍,该所正在推动高性能复合材料技术向民用市场的转化,利用所掌握的技术,更好地服务于国计民生。

  据了解,该所研制的气凝胶防寒服、防寒靴被誉为新一代超轻超保暖产品,钢包保温隔热产品帮助钢铁企业节约了大量能源成本,同时在新能源汽车上也应用了气凝胶产品。此外,该所还开展了气凝胶真空隔热板在超级节能冰箱中的应用研究等,布局了高性能气凝胶在防火装备、管道保温、建筑节能等领域的发展路线。

  谈到未来的规划时,柳晓辉讲道,要瞄准世界一流水平,加快新材料、新技术、新产品研发,未来5年实现不少于5项技术应用于国家重大战略领域。

  于忠宁

【编辑:李玉素】


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