文章來源：中國航天科工集團有限公司 發布時間：2021-04-13
20世紀60年代起，人類就開始不斷地向火星發射探測器，火星探測能力成為航天強國的重要標志之一。
天問一號任務是我國獨立開展行星探測的第一步，通過一次發射便實現了對火星的“繞、著、巡”，即火星環繞、火星著陸、火面巡視。在“天問一號”火星探測器中，使用了我國獨立自主研發的多項“黑科技”，其中就包括火星車用隔熱材料——納米氣凝膠，它可有效應對“極熱”和“極寒”等嚴酷環境，其超輕特性極大地減小了火星車的負擔，讓火星車跑得更快，跑得更遠。
神奇氣凝膠 脫穎而出
納米氣凝膠是一種并不被大眾熟知的神奇材料。它是由納米尺度的固體骨架構成的一個三維立體網絡，它的密度可以做到比空氣還輕，是世界上最輕的固體；導熱系數僅為靜止空氣的一半，是導熱系數最低的固體，這使它成為“天問一號”應對極寒、極熱等嚴酷環境所需熱防護材料的不二之選。
中國航天科工三院306所早在2005年就敏銳地捕捉到氣凝膠材料在空天領域有巨大的應用前景，并開始自主投入，成為國內最早開展氣凝膠材料研究的單位之一。當2014年火星探測提出對熱防護的高要求時，氣凝膠研制早已邁過了從0到1，組建團隊、構建試驗室、搭建工程裝備的初創期，氣凝膠也從試驗室的瓶瓶罐罐，巴掌大的樣品成為通過關鍵型號高溫試驗考核的穩定構件。經過前期扎實的基礎研究，技術團隊已經掌握了氣凝膠結構可控制備和工程應用的全套技術，先后發展了多型號的氣凝膠產品。
永不言棄 艱苦攻關
雖然有足夠的技術和經驗積累，但面對“天問一號”新的嚴酷使役環境，氣凝膠團隊還是碰上了“硬茬”。火星著陸階段，著陸發動機產生的熱量使周圍的溫度達到1000℃以上，“極熱”考驗超出了當時世界上氣凝膠材料的耐溫極限。“極寒”考驗則出現在火星巡視階段，要能夠確保火星車在-130℃的環境正常工作，更難的是，為了給火星車減負，需要氣凝膠具有超低密度，這對材料設計和制備都提出了巨大的挑戰。
如果說科學發現還有靈光乍現的幸運，那科學規律的探究和工程應用沒有捷徑，氣凝膠研發團隊嘗試了上百種配方，把幾十個工藝參數化整為零，開展了大量的驗證試驗，經歷一次次失敗，一次次從頭再來，終于解決了原理性問題。為了確保萬無一失，“天問一號”上用到的兩種氣凝膠材料先后經過了物理特性、力學性能、隔熱性能和空間環境耐候性能等四大類總共98項試驗測試且每一項試驗都經過多個批次的重復驗證。最終，該團隊研發的高性能氣凝膠材料如期趕上了飛往火星的航班。
僅僅10mm左右厚度的隔熱組件能夠在整個著陸過程中將上千攝氏度的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；通過在火星車表面鋪設大面積的氣凝膠板，就像登山運動員身上穿的防寒服，不僅阻隔了環境的超低溫，而且同等體積下，重量只有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60。
創新無止境 再創輝煌
九層之臺起于壘土。氣凝膠研制團隊在面對一次又一次急難險重任務，經歷一次又一次從“0”到“1”的創造過程中，也收獲了一個個認可和榮譽。團隊研發的多系列氣凝膠產品在二十幾型航天裝備上獲得了應用，研究成果先后獲得國家科技進步獎、國防技術發明獎和中國專利金獎等。氣凝膠材料的應用領域也逐漸拓展開來，例如作為長征五號系列火箭的發動機燃氣系統的隔熱材料，又如被制成真空隔熱板用在“天舟一號”貨運飛船的低溫鎖柜中……
如今，該氣凝膠研發團隊已將研究方向延展出了十幾個分支，產品遍及國防和民用兩個市場，年均直接經濟效益超過2億元。面向十四五，團隊提出了“更高性能和更多功能”的目標，為下一個十年的空天征途續寫新的輝煌篇章。
【責任編輯：家正】