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“天问一号”的这个秘密了不得

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   新华网北京4月10日电(记者袁晗刘厦)“天问一号”火星探测器计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆,开展巡视探测。

   面对“极热”和“极寒”的任务条件,一种名为“纳米气凝胶”的新型保温隔热材料将为火星探测器保驾护航。

   纳米气凝胶,到底有何神奇之处?如何为“天问一号”保驾护航?对我们的生活有哪些影响?对此新华网记者独家连线了中国航天科工集团三院306所副所长张昊和中国航天科工集团三院306所第五技术部主任李文静。

   神奇纳米气凝胶到底是个啥?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“黑科技”,其中之一便是应用在火星车上的热控材料——纳米气凝胶。 作为一种新型隔热保温材料,它将分别用来应对“极热”和“极寒”两种严酷环境。 同时,纳米气凝胶的超轻特性极大地减小了火星车的负担,让它跑得更快、更远。

   中国航天科工集团三院306所副所长张昊介绍,纳米凝胶是一种不太被大众熟知的材料,它是由纳米尺度的固体骨架构成的一个三维立体网络,网络结构间包含着丰富的纳米孔隙,孔隙率可以高达%。

   由于它的骨架结构是纳米尺度的,可见光可以从中间穿过,同时会发生瑞利散射,让最常见的二氧化硅气凝胶肉眼看上去像是被冻住的蓝色烟雾,这和天空呈现蓝色的原理是一样,所以它还有一个很好听的绰号,叫做“蓝烟”。

   当我们把气凝胶材料用于阻隔热量的时候,它纤细的骨架让热量传导变得非常困难,相当于让热量沿着羊肠小道在三维网络上走迷宫;而大量的纳米孔隙就像一个一个单独的房间,把单个的气体分子关起来,让气体分子既不能流动也不能彼此接触,能够把对流传热消于无形。 中国航天科工三院306所第五技术部主任李文静说,气凝胶有两个比较显著的特点。 一是重量特别轻,在比较轻柔的花朵、羽毛上都可以放置一大片气凝胶。

   这是因为气凝胶的孔隙率特别高,达%以上,基本由空气填充,所以赋予了气凝胶特别轻质的性能。 二是壁表面积特别大,把10克气凝胶材料完全铺展开,它拥有的表面就可以覆盖一个标准足球场。

   如何为“天问一号”保驾护航?张昊介绍,“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”。 “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,仅仅10mm左右的材料就能够在整个着陆过程让它身后的温度处于可接受的范围。 就像消防员身上穿的防火服。 “极寒”考验出现在火星巡视阶段,通过在火星车的表面铺设大面积的气凝胶板,能够确保火星车在零下130℃的环境正常工作。

   就像登山运动员身上穿的防寒服。 为了给火星车减负,让它“跑”得更快,“跑”得更远。 这里使用的是超低密度的气凝胶,自身的密度只有15mg/cm3,同等体积下,重量只有钢的1/500,铝的1/180,水的1/60。

   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,也就是让长板更长。

   “火星由二氧化碳组成的大气,需要使用一种可以阻隔气相传导的隔热材料。 我们给火星车‘穿上’气凝胶‘外衣’,使它可以抵抗零下130℃的极低温度。

   ”李文静介绍说。

   今年空间站任务中会有应用吗?张昊介绍,在空间站的搭建和运行过程中,气凝胶材料会随长征五号系列火箭、天舟二号货运飞船执行运输任务。 气凝胶材料在航天领域已经获得了广泛的应用,涉及到的航天装备超过三十个型号,已经遍及低空、高空、临近空间和深空的各类飞行器。

   如何“飞入”寻常百姓家?张昊举例说,随着国家对节能环保等方面的要求越来越高,气凝胶的隔热性质能发挥更大作用。 如大型化工厂中使用的高温管道能达3000公里以上,如果铺设气凝胶这样更好的隔热材料,工厂的能源消耗会大幅下降。 此外,气凝胶的多孔结构也能适应催化剂负载、过滤(包括在海洋上除油污)等需要,很多人都在探究它的应用前景。

   谈到未来的发展规划,张昊说,面向十四五,团队提出的目标是“更高性能、更多功能”。

   面对航天航空领域需求,能够耐受更高温度、具有更好隔热性能的气凝胶材料,具有光电磁等特殊功能的气凝胶材料都在研发当中;面向国民经济主战场,团队正在开展低成本制备技术的研发,希望在新能源汽车、工业保温和建筑节能等领域扩大应用,为碳达峰和碳中和做出我们的贡献。

   天问一号落火后,团队将整理和分析总体单位的回传数据,进一步指导对材料的优化。

   监制:朱永磊邱小敏策划:李由记者:袁晗摄像:刘厦后期:陈杰海报:程媛媛通讯员:田少星实习生:秦海明。



         

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