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護航天問探火

文章來源:中(zhong)國(guo)航天科工集團(tuan)有限公司  發布時間:2022-04-13

20世紀(ji)60年代起,人類(lei)就開(kai)始(shi)不斷地向火(huo)星發射探(tan)測器,火(huo)星探(tan)測能力成為(wei)航天強國(guo)的重要標志之一。

天(tian)問一(yi)(yi)號(hao)任務(wu)是我國獨立開展行星探測(ce)的第一(yi)(yi)步,通過一(yi)(yi)次發(fa)射便(bian)實現(xian)了對火(huo)(huo)(huo)(huo)星的“繞、著、巡”,即火(huo)(huo)(huo)(huo)星環繞、火(huo)(huo)(huo)(huo)星著陸(lu)、火(huo)(huo)(huo)(huo)面巡視(shi)。在(zai)“天(tian)問一(yi)(yi)號(hao)”火(huo)(huo)(huo)(huo)星探測(ce)器中,使(shi)用了我國獨立自(zi)主研發(fa)的多項“黑科技”,其中就包括火(huo)(huo)(huo)(huo)星車(che)用隔熱(re)材(cai)料——納米(mi)氣凝膠(jiao),它可(ke)有效(xiao)應(ying)對“極(ji)熱(re)”和“極(ji)寒”等嚴酷環境,其超輕特性極(ji)大地減小了火(huo)(huo)(huo)(huo)星車(che)的負擔(dan),讓(rang)火(huo)(huo)(huo)(huo)星車(che)跑得更快,跑得更遠。

神奇氣凝膠 脫穎而出

納米氣(qi)凝膠是(shi)(shi)一種(zhong)并(bing)不被大眾熟知的神奇材料(liao)。它是(shi)(shi)由納米尺度的固(gu)體骨架構(gou)成的一個三維立體網絡,它的密度可以做到比空氣(qi)還輕,是(shi)(shi)世界上最輕的固(gu)體;導(dao)熱(re)系數僅為(wei)靜(jing)止空氣(qi)的一半,是(shi)(shi)導(dao)熱(re)系數最低(di)的固(gu)體,這(zhe)使(shi)它成為(wei)“天(tian)問(wen)一號”應對極(ji)寒、極(ji)熱(re)等嚴(yan)酷環境所需熱(re)防護材料(liao)的不二之選(xuan)。

中國航天科工(gong)三院306所早(zao)在2005年就敏銳地(di)捕捉到氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠材(cai)料在空(kong)天領域有巨大(da)(da)的(de)應用前(qian)景,并開始自主投入,成(cheng)為國內最早(zao)開展氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠材(cai)料研究(jiu)的(de)單位之一(yi)。當2014年火(huo)星(xing)探測提出對熱防(fang)護(hu)的(de)高要(yao)求時,氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠研制(zhi)早(zao)已(yi)邁過(guo)了從(cong)0到1,組建(jian)團隊、構建(jian)試(shi)驗(yan)室(shi)、搭建(jian)工(gong)程裝備的(de)初創期(qi),氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠也從(cong)試(shi)驗(yan)室(shi)的(de)瓶(ping)(ping)瓶(ping)(ping)罐(guan)罐(guan),巴掌大(da)(da)的(de)樣品成(cheng)為通過(guo)關(guan)鍵型(xing)號高溫試(shi)驗(yan)考(kao)核的(de)穩定(ding)構件。經(jing)過(guo)前(qian)期(qi)扎實(shi)的(de)基礎研究(jiu),技術團隊已(yi)經(jing)掌握了氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠結構可控制(zhi)備和工(gong)程應用的(de)全套技術,先后發展了多型(xing)號的(de)氣(qi)(qi)(qi)凝(ning)(ning)膠產品。

永不言棄 艱苦攻關

雖(sui)然有足夠的(de)技術(shu)和(he)經驗(yan)(yan)積累,但面對“天(tian)問一號”新的(de)嚴(yan)酷使役環境(jing)(jing),氣(qi)(qi)凝膠(jiao)團隊還是(shi)碰上了“硬茬”。火星著陸(lu)階段,著陸(lu)發(fa)動機(ji)產生的(de)熱(re)(re)量使周(zhou)圍的(de)溫度達到(dao)1000℃以上,“極(ji)熱(re)(re)”考驗(yan)(yan)超(chao)出了當時世界上氣(qi)(qi)凝膠(jiao)材(cai)料的(de)耐溫極(ji)限。“極(ji)寒”考驗(yan)(yan)則出現在(zai)火星巡視階段,要能(neng)夠確保火星車在(zai)-130℃的(de)環境(jing)(jing)正常(chang)工作(zuo),更難的(de)是(shi),為了給(gei)火星車減負,需要氣(qi)(qi)凝膠(jiao)具有超(chao)低密度,這對材(cai)料設計和(he)制備都提(ti)出了巨(ju)大的(de)挑戰。

如果說(shuo)科學發現還(huan)有靈光乍現的(de)幸運(yun),那科學規(gui)律的(de)探(tan)究和工程應用沒有捷徑,氣凝(ning)膠研發團隊嘗(chang)試(shi)(shi)了(le)(le)上百種配方,把幾十個工藝參數化整為(wei)(wei)零,開展了(le)(le)大量的(de)驗(yan)(yan)證(zheng)試(shi)(shi)驗(yan)(yan),經(jing)歷(li)一(yi)次(ci)(ci)(ci)次(ci)(ci)(ci)失(shi)敗(bai),一(yi)次(ci)(ci)(ci)次(ci)(ci)(ci)從(cong)頭再來,終于解決了(le)(le)原理(li)性(xing)問題。為(wei)(wei)了(le)(le)確(que)保萬無一(yi)失(shi),“天(tian)問一(yi)號”上用到的(de)兩種氣凝(ning)膠材料先后經(jing)過了(le)(le)物(wu)理(li)特性(xing)、力學性(xing)能、隔(ge)熱性(xing)能和空間環境耐(nai)候(hou)性(xing)能等四大類總共98項(xiang)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)測(ce)試(shi)(shi)且(qie)每一(yi)項(xiang)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)都經(jing)過多個批次(ci)(ci)(ci)的(de)重復驗(yan)(yan)證(zheng)。最終,該團隊研發的(de)高性(xing)能氣凝(ning)膠材料如期趕上了(le)(le)飛往火星的(de)航班。

僅僅10mm左(zuo)右(you)厚(hou)度的(de)(de)(de)隔熱組件能夠在(zai)整個著陸(lu)過程中(zhong)將(jiang)上(shang)千攝氏度的(de)(de)(de)高溫阻隔到可接(jie)受(shou)的(de)(de)(de)溫度范圍,就像(xiang)消防員(yuan)身上(shang)穿的(de)(de)(de)防火服(fu);通過在(zai)火星車表面(mian)鋪設大面(mian)積的(de)(de)(de)氣凝膠板,就像(xiang)登山(shan)運動(dong)員(yuan)身上(shang)穿的(de)(de)(de)防寒(han)服(fu),不僅阻隔了(le)環境的(de)(de)(de)超低溫,而且(qie)同等(deng)體(ti)積下,重量只有鋼的(de)(de)(de)1/500,鋁的(de)(de)(de)1/180,水的(de)(de)(de)1/60。

創新無止境 再創輝煌

九層之臺起(qi)于壘土。氣(qi)凝膠研(yan)制(zhi)團隊在(zai)面對一(yi)(yi)(yi)次(ci)又(you)(you)一(yi)(yi)(yi)次(ci)急(ji)難險重任務(wu),經歷一(yi)(yi)(yi)次(ci)又(you)(you)一(yi)(yi)(yi)次(ci)從“0”到“1”的(de)(de)(de)創造(zao)過程中(zhong),也(ye)收獲(huo)了一(yi)(yi)(yi)個個認可和榮譽。團隊研(yan)發的(de)(de)(de)多系列(lie)氣(qi)凝膠產(chan)品(pin)在(zai)二十(shi)幾(ji)型航天裝備(bei)上獲(huo)得了應用,研(yan)究(jiu)成果先后(hou)獲(huo)得國(guo)家科(ke)技進步獎(jiang)、國(guo)防技術發明獎(jiang)和中(zhong)國(guo)專(zhuan)利金獎(jiang)等。氣(qi)凝膠材料(liao)的(de)(de)(de)應用領域(yu)也(ye)逐(zhu)漸拓展開(kai)來,例如作為長征五號系列(lie)火箭(jian)的(de)(de)(de)發動機燃氣(qi)系統的(de)(de)(de)隔(ge)熱(re)材料(liao),又(you)(you)如被制(zhi)成真空隔(ge)熱(re)板用在(zai)“天舟一(yi)(yi)(yi)號”貨(huo)運飛船(chuan)的(de)(de)(de)低溫鎖柜中(zhong)……

如今,該氣凝膠研發團隊已將(jiang)研究方向(xiang)延(yan)展出了十(shi)幾個(ge)分(fen)支,產品(pin)遍及國防(fang)和民用兩個(ge)市場,年均直(zhi)接(jie)經濟效(xiao)益(yi)超過(guo)2億(yi)元。面(mian)向(xiang)十(shi)四五,團隊提出了“更(geng)(geng)高性(xing)能和更(geng)(geng)多功能”的(de)目標,為下一個(ge)十(shi)年的(de)空天(tian)征(zheng)途續(xu)寫新的(de)輝(hui)煌篇(pian)章。

【責任編輯:家正】

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