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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(wèn)一號探測器拍攝的南、北半球火星側身影像。據國家航天局消息,至此,天問(wèn)一號探測器已在停泊軌道運行一個(gè)多月,探測器上的科學(xué)探測設備已陸續開(kāi)機,對火星表面預選著(zhù)陸區的地形地貌和沙塵天氣進(jìn)行詳查,計劃于今年5月至6月?lián)駲C實(shí)施火星著(zhù)陸,開(kāi)展巡視探測。

天問(wèn)一號任務(wù)是我國獨立開(kāi)展行星際探測的第一步,將通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現對火星的“繞、著(zhù)、巡”,即火星環(huán)繞、火星著(zhù)陸、火面巡視。航天科技集團五院火星探測器總設計師孫澤洲曾在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)指出,“世界上從來(lái)沒(méi)有哪個(gè)國家一次同時(shí)實(shí)現(這三個(gè)目標)?!?/p>

在天問(wèn)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”,其中之一便是應用在火星車(chē)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(lái)應對“極熱”和“極寒”兩種嚴酷環(huán)境。同時(shí),納米氣凝膠的超輕特性極大地減小了火星車(chē)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(jìn)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、工作原理及應用場(chǎng)景等。

“極熱”和“極寒”環(huán)境何以體現?

“極熱”考驗出現在火星著(zhù)陸階段,著(zhù)陸發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的熱量使周?chē)鷾囟冗_到1000℃以上;“極寒”考驗則出現在火星巡視階段,要能夠確?;鹦擒?chē)在-130℃的環(huán)境正常工作。此外,為了給火星車(chē)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(xué)界譽(yù)為“改變世界的神奇材料”。這是一種具有納米孔結構的輕質(zhì)材料,它是由納米尺度的固體骨架構成的一個(gè)三維立體網(wǎng)絡(luò ),網(wǎng)絡(luò )結構間包含著(zhù)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構,它的密度可以做到比空氣還輕,是世界上最輕的固體;它的導熱系數僅為靜止空氣的一半,是導熱系數最低的固體。此外,氣凝膠的比表面積很高,1克氣凝膠的表面展開(kāi)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(wèn)一號”應對極寒、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,根據圖一展示可見(jiàn),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用于火星車(chē)上時(shí),幾乎不會(huì )增加重量。

揭秘“天問(wèn)一號”熱控材料,神奇氣凝膠或將走入你我生活

(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(shí)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(zhù)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(gè)個(gè)單獨的房間,把單個(gè)的氣體分子關(guān)起來(lái),讓氣體分子既不能流動(dòng)也不能彼此接觸,從而把對流傳熱消于無(wú)形。

揭秘“天問(wèn)一號”熱控材料,神奇氣凝膠或將走入你我生活-2

(圖二:氣凝膠的隔熱性能展示。)

如圖二所示,經(jīng)過(guò)氣凝膠的阻隔,其下方上千度的火焰也無(wú)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(jiàn),加熱器表面溫度已接近400°C,通過(guò)其氣凝膠的阻隔,熱量無(wú)法傳導至另一側,才使得人手得以觸摸。

揭秘“天問(wèn)一號”熱控材料,神奇氣凝膠或將走入你我生活-3

(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(gè)著(zhù)陸過(guò)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(chē)表面鋪設了大面積的氣凝膠板,就像登山運動(dòng)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(chē)“跑”得更快,“跑”得更遠。

中國自主研發(fā)的氣凝膠何以問(wèn)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(guò)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(lái)將在空天領(lǐng)域有巨大的應用前景,并果斷開(kāi)始自主投入,成為國內最早開(kāi)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(shí),306所已在氣凝膠領(lǐng)域深耕了近10年。邁過(guò)了從0到1,組建團隊、構建試驗室、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(guò)關(guān)鍵型號高溫試驗考核的穩定構件。隨著(zhù)航天裝備一次次沖上藍天,此時(shí)306所的氣凝膠材料已正式走到了舞臺的中央。經(jīng)過(guò)前期扎實(shí)的基礎研究,技術(shù)團隊已經(jīng)掌握了氣凝膠結構可控制備和工程應用的全套技術(shù),先后發(fā)展了中溫型、高溫型等幾個(gè)系列氣凝膠產(chǎn)品,研究成果獲得國家科技進(jìn)步獎、中國專(zhuān)利金獎。

氣凝膠將如何走入尋常百姓家?

據介紹,為了滿(mǎn)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(kāi)發(fā)出使用溫域覆蓋-100℃至2500℃的系列化、規?;臍饽z材料產(chǎn)品,并可根據客戶(hù)需求對材料性能進(jìn)行調控定制,產(chǎn)品按照形態(tài)和用途分為氣凝膠構件、柔性氈、柔性布三大類(lèi)。

在氣凝膠構件技術(shù)的基礎上,科研人員深入開(kāi)展低成本技術(shù)研究,開(kāi)發(fā)出了氣凝膠柔性氈產(chǎn)品,產(chǎn)品幅寬可達1.5米,長(cháng)度幾十至數百米不等。在相同成本條件下,其隔熱保溫性能優(yōu)于傳統材料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(chǎng)的轉化,已布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節能等領(lǐng)域的發(fā)展路線(xiàn)。未來(lái)我們將利用所掌握的技術(shù),更好地服務(wù)于國計民生?!敝袊教炜乒と?06所所長(cháng)柳曉輝說(shuō)。

通過(guò)對隔熱型氣凝膠技術(shù)進(jìn)行功能拓展和材料改性,科研人員又開(kāi)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?xún)?yōu)異、平整度高、疏水透氣性和易用性良好等特點(diǎn),適用于保暖服裝、鞋帽、帳篷等戶(hù)外用品和高溫電子電器產(chǎn)品。

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