給“天問一號”穿上防護衣

“天問一號”探測器計劃于5月至6月擇機實施火星著陸，開展巡視探測。“天問一號”任務是我國獨立開展行星際探測的第一步，將通過一次發射實現對火星的“繞、著、巡”，即火星環繞、火星著陸、火面巡視。這是世界航天史上還沒有過的先例。

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科學技術，其中，火星車采用了中國航天科工三院306所研發的新型隔熱保溫材料——納米氣凝膠，該材料將分別用來應對“極熱”和“極寒”兩種嚴酷環境，同時以其超輕特性極大地減小火星車的負擔，讓它跑得更快，跑得更遠。

“火”與“冰”的考驗

納米氣凝膠是一種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。

306所作為航天科工集團的特種材料及工藝技術研究中心，已經掌握了氣凝膠結構可控制備和工程應用的全套技術，該所研制的氣凝膠材料在航天領域已經獲得了廣泛的應用，涉及的航天裝備超過30個型號。比如，在長征五號系列火箭上主要應用于發動機高溫燃氣系統的隔熱。在天舟一號任務中，把氣凝膠做成真空隔熱板安裝在低溫鎖柜中，在飛船中搭建了超級冰箱。

“我們系列化的氣凝膠產品可以說已經經歷了大量‘火’與‘冰’的考驗。”該所所長柳曉輝對記者講道。

雖然前期有足夠的技術和經驗積累，但接到為“天問一號”研發熱防護材料的任務后，面對“天問一號”新的嚴酷使役環境，306所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超過1000℃，“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。

艱難攻關不尋常

面對“天問一號”的嚴酷工作環境，306所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。而且每一項試驗都需要經過多個批次的重復驗證。最終，這兩種高性能氣凝膠材料如期趕上了飛往火星的航班。

據介紹，僅僅10mm左右的隔熱組件能夠在整個著陸過程中能夠阻隔1000℃以上的高溫，使其另一側的溫度保持在可接受的范圍；通過在火星車表面鋪設大面積的氣凝膠板，不僅阻隔了火星表面的超低溫，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。

“天問一號”即將在火星著陸，團隊的科研人員正密切關注“天問一號”的任務進展，談到后續落火的安排時，該所副所長、團隊帶頭人張昊講道：“成功落火后，根據總體單位反饋的回傳數據，將進行數據的整理和分析工作，用于指導后續材料的性能優化。”

飛入尋常百姓家

如今，看起來神奇的氣凝膠材料產品不僅服務于航天領域，也正在飛入尋常百姓家。

“實際上，我們的高性能隔熱復合材料不僅能‘上九天攬月’，服務于航空航天高端領域，其在日常民用市場也占據了一席之地。”柳曉輝介紹，該所正在推動高性能復合材料技術向民用市場的轉化，利用所掌握的技術，更好地服務于國計民生。

據了解，該所研制的氣凝膠防寒服、防寒靴被譽為新一代超輕超保暖產品，鋼包保溫隔熱產品幫助鋼鐵企業節約了大量能源成本，同時在新能源汽車上也應用了氣凝膠產品。此外，該所還開展了氣凝膠真空隔熱板在超級節能冰箱中的應用研究等，布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節能等領域的發展路線。

談到未來的規劃時，柳曉輝講道，要瞄準世界一流水平，加快新材料、新技術、新產品研發，未來5年實現不少于5項技術應用于國家重大戰略領域。