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

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