气凝胶,帮火星探测器扛过上千度灼烧…

在中国航天科工三院306所,科研人员演示了气凝胶材料,这种材料已经应用在数亿公里外绕火星飞行的天问一号探测器上,为其火星着陆起到了很好的保驾护航作用。

扛热1000℃,受冷-130℃

我国“天问一号”火星探测器一次性完成“绕”“落”“巡”的火星探测任务,在“落”和“巡”两个阶段,都会用到306所研发的气凝胶材料。

“天问一号”上一共应用了两种气凝胶材料,分别用来应对“极热”和“极寒”。306所副所长张昊介绍,“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的温度超过1000℃,隔热组件能够阻隔高温,仅10mm左右的材料就能够在整个着陆过程让它身后的温度保持在可接受的范围。“极寒”考验出现在火星巡视阶段,设计师在火星车的表面铺设了大面积的气凝胶板,能够确保火星车在-130℃的环境正常工作。

进入外太空的物品,重量要以“克”记,航天器“减重”更是永恒话题。为了给火星车减负,让它轻装上路,306所为火星车提供的是超低密度的气凝胶。设计师介绍,其密度低到每立方厘米只有15毫克,同等体积下,重量只有钢的1/500,铝的1/180,水的1/60。

此前,306所研发的一种气凝胶已成功应用于长征五号火箭发动机。“选择这种材料,一是因为它在密度、耐温性能和隔热性能等方面有先天的优势;二是它能够通过微观结构的调控,实现性能的差异化,把某一方面的性能优势进一步发挥到极致,护送‘天问一号’顺利探火。”张昊说。

尝试上百种配方,“配”出气凝胶

2014年,306所团队了解到了火星探测关于热防护的需求,开始为参与“探火”准备起来。

天问一号上使用的两种气凝胶材料对性能的要求极为苛刻又各不相同。它们的化学成分都是二氧化硅,和水晶一样。用到火星探测的气凝胶,除了要有优良的隔热性能,保护航天器上的产品,自身还要能抗热,“落”阶段要能够耐受上千摄氏度的高温,“巡”阶段用到的隔热板,要求气凝胶密度小于水晶的1%。不可谓不难。

团队首先按照微观结构决定宏观性能的科学规律去确定气凝胶的微观结构,通俗讲就是要知道到底长成什么样的气凝胶耐温性更好,长成什么样的气凝胶才能有超低的密度。找到答案后,第二步是通过配方设计、制备工艺优化和参数控制来把想要的微观结构在现实世界中呈现出来。为此,团队尝试了上百种配方,把几十个工艺参数化整为零,开展了四大类总共98项验证试验,终于让用于探火的气凝胶诞生了。

“天问一号”的火星着陆非常成功,306所气凝胶设计师们在成功落火后,正在根据总体单位反馈的回传数据,进行数据整理和分析,用于指导后续材料的性能优化。

“天问”“天舟”“长五”能用,老百姓也能用

除了火星探测,306所的气凝胶材料已经接二连三在国家重大任务中现身。在长征五号系列运载火箭上,主要用于发动机燃气系统的隔热;在“天舟一号”任务中,气凝胶做成的真空隔热板安装在低温锁柜中,造出了飞船中的超级冰箱。今年,该所的气凝胶产品还将参与到空间站搭建和运行中。

可喜的是,基于气凝胶材料的产业化发展也渐成规模,自带“高端”光环的气凝胶材料开始走向千家万户。早在多年前,306所先进隔热保温材料团队已整体入驻孵化出的产业公司,并建成投产了当时国内单线最大的4500L气凝胶生产线。

当前,该所正在开展研究,计划将用于“天舟一号”低温锁柜的真空气凝胶隔热板用在超级节能冰箱上,还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。根据最新数据,该所2020年提供的气凝胶材料已经占到新能源汽车市场整体气凝胶材料需求的20%左右。

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