3月26日，國家航天局發(fā)布2幅由我國首次火星探測任務(wù)天問一號探測器拍攝的南、北半球火星側(cè)身影像。據(jù)國家航天局消息，至此，天問一號探測器已在停泊軌道運行一個多月，探測器上的科學探測設(shè)備已陸續(xù)開機，對火星表面預選著陸區(qū)的地形地貌和沙塵天氣進行詳查，計劃于今年5月至6月?lián)駲C實施火星著陸，開展巡視探測。
天問一號任務(wù)是我國獨立開展行星際探測的第一步，將通過一次發(fā)射實現(xiàn)對火星的“繞、著、巡”，即火星環(huán)繞、火星著陸、火面巡視。航天科技集團五院火星探測器總設(shè)計師孫澤洲曾在接受媒體采訪時指出，“世界上從來沒有哪個國家一次同時實現(xiàn)（這三個目標）?！?/p>
在天問一號火星探測器中，使用了我國獨立自主研發(fā)的多項“黑科技”，其中之一便是應(yīng)用在火星車上的熱控材料——納米氣凝膠。作為一種新型隔熱保溫材料，它將分別用來應(yīng)對“極熱”和“極寒”兩種嚴酷環(huán)境。同時，納米氣凝膠的超輕特性極大地減小了火星車的負擔，讓它跑得更快、更遠。
4月6日，央廣網(wǎng)記者一行走進中國航天科工三院306所，近距離了解了納米氣凝膠的材料性能、工作原理及應(yīng)用場景等。
“極熱”和“極寒”環(huán)境何以體現(xiàn)？
“極熱”考驗出現(xiàn)在火星著陸階段，著陸發(fā)動機產(chǎn)生的熱量使周圍溫度達到1000℃以上；“極寒”考驗則出現(xiàn)在火星巡視階段，要能夠確?；鹦擒囋?130℃的環(huán)境正常工作。此外，為了給火星車減負，還需要氣凝膠具有超低密度。
納米氣凝膠神奇在哪里？
據(jù)中國航天科工三院306所氣凝膠研發(fā)團隊介紹，納米氣凝膠并不被大眾熟知，但被科學界譽為“改變世界的神奇材料”。這是一種具有納米孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料，它是由納米尺度的固體骨架構(gòu)成的一個三維立體網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間包含著豐富的納米孔隙，孔隙率可以高達99.8%。正是由于這種特殊結(jié)構(gòu)，它的密度可以做到比空氣還輕，是世界上最輕的固體；它的導熱系數(shù)僅為靜止空氣的一半，是導熱系數(shù)最低的固體。此外，氣凝膠的比表面積很高，1克氣凝膠的表面展開面積可達到1000平方米。這些特殊的性能，使納米氣凝膠成為“天問一號”應(yīng)對極寒、極熱等嚴酷環(huán)境所需熱防護材料的不二之選。
在超輕性能方面，根據(jù)圖一展示可見，將一塊氣凝膠放置在新鮮花蕊上，花蕊未被壓彎。這就確保了將氣凝膠應(yīng)用于火星車上時，幾乎不會增加重量。
（圖一：氣凝膠超輕性能展示。）
當把氣凝膠材料用于阻隔熱量的時候，它纖細的骨架讓熱量傳導變得非常困難，相當于讓熱量沿著羊腸小道在三維網(wǎng)絡(luò)上走迷宮；而大量的納米孔隙就像一個個單獨的房間，把單個的氣體分子關(guān)起來，讓氣體分子既不能流動也不能彼此接觸，從而把對流傳熱消于無形。
（圖二：氣凝膠的隔熱性能展示。）
如圖二所示，經(jīng)過氣凝膠的阻隔，其下方上千度的火焰也無法傷害到置于氣凝膠上的鮮花。從圖三的紅外成像測試裝置可見，加熱器表面溫度已接近400°C，通過其氣凝膠的阻隔，熱量無法傳導至另一側(cè)，才使得人手得以觸摸。
（圖三：紅外成像測試氣凝膠的隔熱性能。）
概括而言，10mm左右的隔熱組件能夠在整個著陸過程中將1000℃以上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；火星車表面鋪設(shè)了大面積的氣凝膠板，就像登山運動員身上穿的防寒服，不僅阻隔了-130℃的環(huán)境低溫，而且自身的密度只有15mg/cm3，即同等體積下，重量只有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60，保障火星車“跑”得更快，“跑”得更遠。
中國自主研發(fā)的氣凝膠何以問世？
306所作為航天科工集團特種材料及工藝技術(shù)研究中心，早在2005年就通過對熱防護材料技術(shù)體系的追蹤和研判，敏銳地捕捉到氣凝膠材料未來將在空天領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，并果斷開始自主投入，成為國內(nèi)最早開展氣凝膠材料研究的單位之一。
因此，當2014年了解到火星探測關(guān)于熱防護的需求時，306所已在氣凝膠領(lǐng)域深耕了近10年。邁過了從0到1，組建團隊、構(gòu)建試驗室、搭建工程裝備的初創(chuàng)期，氣凝膠也早已從試驗室的瓶瓶罐罐、巴掌大的樣品到了通過關(guān)鍵型號高溫試驗考核的穩(wěn)定構(gòu)件。隨著航天裝備一次次沖上藍天，此時306所的氣凝膠材料已正式走到了舞臺的中央。經(jīng)過前期扎實的基礎(chǔ)研究，技術(shù)團隊已經(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)展了中溫型、高溫型等幾個系列氣凝膠產(chǎn)品，研究成果獲得國家科技進步獎、中國專利金獎。
氣凝膠將如何走入尋常百姓家？
據(jù)介紹，為了滿足我國新一代武器裝備對高性能隔熱復合材料的需求，306所科研人員歷經(jīng)十余年的不懈努力，研制開發(fā)出使用溫域覆蓋-100℃至2500℃的系列化、規(guī)模化的氣凝膠材料產(chǎn)品，并可根據(jù)客戶需求對材料性能進行調(diào)控定制，產(chǎn)品按照形態(tài)和用途分為氣凝膠構(gòu)件、柔性氈、柔性布三大類。
在氣凝膠構(gòu)件技術(shù)的基礎(chǔ)上，科研人員深入開展低成本技術(shù)研究，開發(fā)出了氣凝膠柔性氈產(chǎn)品，產(chǎn)品幅寬可達1.5米，長度幾十至數(shù)百米不等。在相同成本條件下，其隔熱保溫性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料60%以上?！拔覀兎浅Ｖ匾暩咝阅軓秃喜牧霞夹g(shù)向民用市場的轉(zhuǎn)化，已布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的發(fā)展路線。未來我們將利用所掌握的技術(shù)，更好地服務(wù)于國計民生。”中國航天科工三院306所所長柳曉輝說。
通過對隔熱型氣凝膠技術(shù)進行功能拓展和材料改性，科研人員又開發(fā)出氣凝膠柔性布這一創(chuàng)新產(chǎn)品。氣凝膠柔性布是一種新型面料，具有重量輕、熱導率極低、柔韌性優(yōu)異、平整度高、疏水透氣性和易用性良好等特點，適用于保暖服裝、鞋帽、帳篷等戶外用品和高溫電子電器產(chǎn)品。
