揭秘“天问一号”热控材料,神奇气凝胶或将走入你我生活

3月26日,国家航天局发布2幅由我国首次火星探测任务天问一号探测器拍摄的南、北半球火星侧身影像。据国家航天局消息,至此,天问一号探测器已在停泊轨道运行一个多月,探测器上的科学探测设备已陆续开机,对火星表面预选着陆区的地形地貌和沙尘天气进行详查,计划于今年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。航天科技集团五院火星探测器总设计师孙泽洲曾在接受媒体采访时指出,“世界上从来没有哪个国家一次同时实现(这三个目标)。”

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“黑科技”,其中之一便是应用在火星车上的热控材料——纳米气凝胶。作为一种新型隔热保温材料,它将分别用来应对“极热”和“极寒”两种严酷环境。同时,纳米气凝胶的超轻特性极大地减小了火星车的负担,让它跑得更快、更远。

4月6日,央广网记者一行走进中国航天科工三院306所,近距离了解了纳米气凝胶的材料性能、工作原理及应用场景等。

“极热”和“极寒”环境何以体现?

“极热”考验出现在火星着陆阶段,着陆发动机产生的热量使周围温度达到1000℃以上;“极寒”考验则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。此外,为了给火星车减负,还需要气凝胶具有超低密度。

纳米气凝胶神奇在哪里?

据中国航天科工三院306所气凝胶研发团队介绍,纳米气凝胶并不被大众熟知,但被科学界誉为“改变世界的神奇材料”。这是一种具有纳米孔结构的轻质材料,它是由纳米尺度的固体骨架构成的一个三维立体网络,网络结构间包含着丰富的纳米孔隙,孔隙率可以高达99.8%。正是由于这种特殊结构,它的密度可以做到比空气还轻,是世界上最轻的固体;它的导热系数仅为静止空气的一半,是导热系数最低的固体。此外,气凝胶的比表面积很高,1克气凝胶的表面展开面积可达到1000平方米。这些特殊的性能,使纳米气凝胶成为“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。

在超轻性能方面,根据图一展示可见,将一块气凝胶放置在新鲜花蕊上,花蕊未被压弯。这就确保了将气凝胶应用于火星车上时,几乎不会增加重量。

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(图一:气凝胶超轻性能展示。)

当把气凝胶材料用于阻隔热量的时候,它纤细的骨架让热量传导变得非常困难,相当于让热量沿着羊肠小道在三维网络上走迷宫;而大量的纳米孔隙就像一个个单独的房间,把单个的气体分子关起来,让气体分子既不能流动也不能彼此接触,从而把对流传热消于无形。

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(图二:气凝胶的隔热性能展示。)

如图二所示,经过气凝胶的阻隔,其下方上千度的火焰也无法伤害到置于气凝胶上的鲜花。从图三的红外成像测试装置可见,加热器表面温度已接近400°C,通过其气凝胶的阻隔,热量无法传导至另一侧,才使得人手得以触摸。

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(图三:红外成像测试气凝胶的隔热性能。)

概括而言,10mm左右的隔热组件能够在整个着陆过程中将1000℃以上高温阻隔到可接受的温度范围,就像消防员身上穿的防火服;火星车表面铺设了大面积的气凝胶板,就像登山运动员身上穿的防寒服,不仅阻隔了-130℃的环境低温,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。

中国自主研发的气凝胶何以问世?

306所作为航天科工集团特种材料及工艺技术研究中心,早在2005年就通过对热防护材料技术体系的追踪和研判,敏锐地捕捉到气凝胶材料未来将在空天领域有巨大的应用前景,并果断开始自主投入,成为国内最早开展气凝胶材料研究的单位之一。

因此,当2014年了解到火星探测关于热防护的需求时,306所已在气凝胶领域深耕了近10年。迈过了从0到1,组建团队、构建试验室、搭建工程装备的初创期,气凝胶也早已从试验室的瓶瓶罐罐、巴掌大的样品到了通过关键型号高温试验考核的稳定构件。随着航天装备一次次冲上蓝天,此时306所的气凝胶材料已正式走到了舞台的中央。经过前期扎实的基础研究,技术团队已经掌握了气凝胶结构可控制备和工程应用的全套技术,先后发展了中温型、高温型等几个系列气凝胶产品,研究成果获得国家科技进步奖、中国专利金奖。

气凝胶将如何走入寻常百姓家?

据介绍,为了满足我国新一代武器装备对高性能隔热复合材料的需求,306所科研人员历经十余年的不懈努力,研制开发出使用温域覆盖-100℃至2500℃的系列化、规模化的气凝胶材料产品,并可根据客户需求对材料性能进行调控定制,产品按照形态和用途分为气凝胶构件、柔性毡、柔性布三大类。

在气凝胶构件技术的基础上,科研人员深入开展低成本技术研究,开发出了气凝胶柔性毡产品,产品幅宽可达1.5米,长度几十至数百米不等。在相同成本条件下,其隔热保温性能优于传统材料60%以上。“我们非常重视高性能复合材料技术向民用市场的转化,已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。未来我们将利用所掌握的技术,更好地服务于国计民生。”中国航天科工三院306所所长柳晓辉说。

通过对隔热型气凝胶技术进行功能拓展和材料改性,科研人员又开发出气凝胶柔性布这一创新产品。气凝胶柔性布是一种新型面料,具有重量轻、热导率极低、柔韧性优异、平整度高、疏水透气性和易用性良好等特点,适用于保暖服装、鞋帽、帐篷等户外用品和高温电子电器产品。

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