天問一號探測器于2020年7月23日在中國文昌航天發(fā)射場由長征五號運(yùn)載火箭發(fā)射升空，開啟奔向火星的征程，已累計飛行258天，成功完成地月合照、探測器“自拍”、中途修正、深空機(jī)動、載荷自檢等工作。那么目前天問一號在做什么呢？天問一號已進(jìn)入停泊軌道運(yùn)行，開展預(yù)選著陸區(qū)探測，各系統(tǒng)狀態(tài)良好，計劃于2021年5月至6月?lián)駲C(jī)實(shí)施火星著陸，開展巡視探測。

▲ 天問一號探測器火星捕獲過程影像（定向天線監(jiān)視相機(jī)畫面）

天問一號任務(wù)是我國獨(dú)立開展行星際探測的第一步，將通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)對火星的“繞、著、巡”，即火星環(huán)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(dú)立自主研發(fā)的多項(xiàng)“黑科技”，其中，火星車使用的熱控材料是新型隔熱保溫材料——納米氣凝膠，它將分別用來應(yīng)對“極熱”和“極寒”兩種嚴(yán)酷環(huán)境，并且超輕特性極大地減小了火星車的負(fù)擔(dān)，讓它跑的更快，跑的更遠(yuǎn)。

納米氣凝膠，到底有何神奇之處？小新帶你一探究竟——

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氣凝膠是什么？

氣凝膠是一種具有納米孔隙結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料，被科學(xué)界譽(yù)為“改變世界的神奇材料”。它是由納米尺度的固體骨架構(gòu)成的一個三維立體網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間包含著豐富的納米孔隙，孔隙率可以高達(dá)99.8%。由于它的骨架結(jié)構(gòu)是納米尺度的，可見光可以從中間穿過，同時會發(fā)生瑞利散射，讓最常見的二氧化硅氣凝膠肉眼看上去像是被凍住的藍(lán)色煙霧，這和天空呈現(xiàn)藍(lán)色的原理是一樣，所以它還有一個很好聽的綽號，叫做“藍(lán)煙”。

▲各種氣凝膠材料展示

氣凝膠有什么特性？

特殊的孔隙結(jié)構(gòu)為氣凝膠帶來了獨(dú)特的性能，它的密度極低，甚至比同體積的空氣更輕，是世界上最輕的固體。來自中國航天科工三院306所的實(shí)驗(yàn)人員通過一個小實(shí)驗(yàn)展示了氣凝膠“輕”的特性。把一塊氣凝膠放置在一個新鮮的花蕾上，因?yàn)闅饽z本身是非常輕的，因此不會對花蕾造成任何的影響。

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▲氣凝膠超輕展示實(shí)驗(yàn)

由于孔隙率極高且孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣凝膠孔內(nèi)沒有空氣對流，使其同時具有極低的氣相與固相熱傳導(dǎo)率。因此，具有輕質(zhì)高效隔熱性能的氣凝膠材料在空間狹小、發(fā)射成本高昂的航空航天領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價值。

氣凝膠材料用于阻隔熱量的時候，它纖細(xì)的骨架讓熱量傳導(dǎo)變得非常困難，相當(dāng)于讓熱量沿著羊腸小道在三維網(wǎng)絡(luò)上走迷宮；而大量的納米孔隙就像一個一個單獨(dú)的房間，把單個的氣體分子關(guān)起來，讓氣體分子既不能流動也不能彼此接觸，能夠把對流傳熱消于無形。

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▲氣凝膠隔熱耐高溫性能展示實(shí)驗(yàn)

氣凝膠在天問一號上有哪些應(yīng)用呢？

那么在天問一號上又有哪些應(yīng)用，在探測器“落”和“巡”過程發(fā)揮了哪些作用呢？

天問一號一共應(yīng)用了兩種氣凝膠材料，分別用來應(yīng)對“極熱”和“極寒”。

“極熱”考驗(yàn)出現(xiàn)在火星著陸階段，著陸發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量使周圍的溫度達(dá)到1200℃，隔熱組件能夠阻隔高溫，僅僅12mm的材料就能夠在整個著陸過程讓它身后的溫度低于110℃。就像消防員身上穿的防火服。

“極寒”考驗(yàn)出現(xiàn)在火星巡視階段，我們在火星車的表面鋪設(shè)了面積約1㎡的氣凝膠板，能夠確?；鹦擒囋?strong>-130℃的環(huán)境正常工作。就像登山運(yùn)動員身上穿的防寒服。

“極輕”的考驗(yàn)，為了給火星車減負(fù)，讓它“跑”的更快，“跑”的更遠(yuǎn)。這里使用的是超低密度的氣凝膠，自身的密度只有15mg/cm3，同等體積下，重量只有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60。

選擇這種材料一是因?yàn)樗诿芏取⒛蜏匦阅芎透魺嵝阅艿确矫嬗邢忍斓膬?yōu)勢，二是它能夠通過微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)性能的差異化，把某一方面的性能優(yōu)勢進(jìn)一步發(fā)揮到極致，也就是讓長板更長。

氣凝膠在今年空間站任務(wù)中還有其他應(yīng)用嗎？

在空間站的搭建和運(yùn)行過程中，氣凝膠材料會隨長征五號系列火箭、天舟二號貨運(yùn)飛船執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)。

氣凝膠材料在航天領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，涉及到的航天裝備超過三十個型號，已經(jīng)遍及低空、高空、臨近空間和深空的各類飛行器。

比如，氣凝膠在長征五號、天舟一號早有應(yīng)用。在長征五號系列火箭上主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)高溫燃?xì)庀到y(tǒng)的隔熱。在天舟一號任務(wù)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。

▲天舟一號上應(yīng)用的氣凝膠真空隔熱板展示材料

氣凝膠在航天領(lǐng)域的發(fā)展歷程如何？

隨著我國大力發(fā)展航天事業(yè)，傳統(tǒng)的熱防護(hù)材料已經(jīng)無法滿足航天裝備日新月異的需求。這時候航天科工的科研人員從文獻(xiàn)中找到了氣凝膠這樣一種陌生又神奇的材料。通過對技術(shù)體系的追蹤和研判，他們敏銳的捕捉到這種前沿材料未來可能會有巨大的應(yīng)用前景。也就在這個時候，航天科工306所開始自主投入，成為國內(nèi)最早開展氣凝膠材料研究的單位之一。

整個發(fā)展歷程大致可以分為三個階段：

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納米氣凝膠在航天領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，是中央企業(yè)科技創(chuàng)新實(shí)力的一個縮影。未來，氣凝膠材料如何深化發(fā)展，從基礎(chǔ)研究到實(shí)用化、工程化的轉(zhuǎn)化之路還有哪些挑戰(zhàn)？小新對306所副所長、研究員張昊進(jìn)行了專訪，一起來看——

數(shù)十次實(shí)驗(yàn)讓納米氣凝膠材料成功應(yīng)用于天問一號

問：針對天問一號的氣凝膠材料整個試驗(yàn)過程持續(xù)多長時間？都做了哪些試驗(yàn)？

答：我們是2014年了解到火星探測關(guān)于熱防護(hù)的需求，到現(xiàn)在已經(jīng)7年了。航天產(chǎn)品首要要求就是質(zhì)量可靠，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(jīng)過了物理特性、力學(xué)性能、隔熱性能和空間環(huán)境耐候性能等四大類總共98項(xiàng)試驗(yàn)測試。而且每一項(xiàng)試驗(yàn)都需要經(jīng)過多個批次的重復(fù)驗(yàn)證。
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問：在研制過程中有遇到什么困難？后來是怎么解決的？

答：天問一號上使用的兩種氣凝膠材料對性能的要求極為苛刻又各不相同。他們的化學(xué)成分都是二氧化硅，和水晶是一樣的。在保證極高的隔熱性能之外，“落”用到的高溫隔熱組件要求氣凝膠能夠耐受1200℃的高溫，而“巡”用到的隔熱板要求氣凝膠密度要小于水晶的1%。這對于研發(fā)團(tuán)隊(duì)來說是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。

為了解決這個問題，我們分了兩個步驟。首先是找到微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性能的科學(xué)規(guī)律，換個通俗的說法就是，要知道到底長成什么樣的氣凝膠耐溫性更好，而長成什么樣的氣凝膠才能有超低的密度。找到答案后，第二步是如何通過配方設(shè)計、通過整套制備工藝的優(yōu)化和參數(shù)控制來把我們想要的微觀結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)世界中呈現(xiàn)出來。
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問：天問一號5月即將著陸火星，您的團(tuán)隊(duì)目前還在做哪些研究、試驗(yàn)，后續(xù)著陸火星后有何安排？

答：雖然針對天問一號的研制任務(wù)已暫告一段落，對于我們團(tuán)隊(duì)來說，這只是若干研究方向和若干產(chǎn)品中的一個。面向十四五，團(tuán)隊(duì)提出的目標(biāo)是“更高性能、更多功能和更低成本”。

面對國家重大戰(zhàn)略需求，能夠耐受更高溫度、具有更好隔熱性能的氣凝膠材料，具有承載、透波、紅外隱身、電磁干擾等特殊功能的氣凝膠材料都在研發(fā)當(dāng)中；面向國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，團(tuán)隊(duì)正在開展低成本制備技術(shù)的研發(fā)，希望在新能源汽車、工業(yè)保溫和建筑節(jié)能等領(lǐng)域擴(kuò)大應(yīng)用。

我們也和每一個關(guān)心中國航天的普通人一樣，正密切關(guān)注天問一號的任務(wù)進(jìn)展，成功落火后，根據(jù)總體單位反饋的回傳數(shù)據(jù)，將進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析工作，用于指導(dǎo)后續(xù)材料的性能優(yōu)化。

氣凝膠材料已授權(quán)專利50余項(xiàng)
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問：針對納米氣凝膠材料提交專利申請有何進(jìn)展？

答：天問一號任務(wù)要求氣凝膠材料具有超低的密度和絕佳的隔熱性能。在現(xiàn)有的氣凝膠材料體系中，沒有能滿足這一應(yīng)用需求的材料。因此，我們針對這一需求率先開展研究，并在材料研發(fā)初期，對前驅(qū)體涉及、制備工藝流程及應(yīng)用等方面都進(jìn)行了積極的專利布局，持續(xù)開展專利的申請，現(xiàn)已積累了較為全面的知識產(chǎn)權(quán)成果。

研究人員針對高難度的技術(shù)研發(fā)需求進(jìn)行有針對性的大量文獻(xiàn)檢索，主要從反應(yīng)原理、微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、超臨界狀態(tài)下模擬等方面進(jìn)行檢索，根據(jù)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和理論知識，開發(fā)了新的合成步驟，并探索出可行的工藝方案。經(jīng)過長時間的反復(fù)嘗試和優(yōu)化，成功開發(fā)出滿足要求的超低密度氣凝膠隔熱材料。

問：目前，納米氣凝膠材料領(lǐng)域提交了多少件專利申請，多少件已經(jīng)獲得了授權(quán)？

答：納米氣凝膠防隔熱材料技術(shù)已發(fā)展成為306所核心專業(yè)技術(shù)方向之一，目前，在相關(guān)領(lǐng)域共提交有效專利申請125項(xiàng)，獲得授權(quán)專利50余項(xiàng)。
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氣凝膠材料應(yīng)用于日常生活場景，服務(wù)國計民生

問：以高性能隔熱復(fù)合材料中使用溫域覆蓋-100℃至2500℃的系列化氣凝膠材料產(chǎn)品為例，能否舉例說明這些產(chǎn)品的在日常生活中有哪些具體應(yīng)用場景？

答：實(shí)際上，我們的高性能隔熱復(fù)合材料不僅能“上九天攬?jiān)隆保?wù)于航空航天高端領(lǐng)域，其在日常民用市場也占據(jù)了一席之地。如我們研制的氣凝膠防寒服、防寒靴被譽(yù)為新一代超輕超保暖產(chǎn)品，鋼包保溫隔熱產(chǎn)品幫助鋼鐵企業(yè)節(jié)約了大量能源成本，同時我們在新能源汽車上也應(yīng)用了氣凝膠產(chǎn)品。

我們非常重視高性能復(fù)合材料技術(shù)向民用市場的轉(zhuǎn)化，如開展了用于天舟一號低溫鎖柜的真空氣凝膠隔熱板在超級節(jié)能冰箱中的應(yīng)用研究等。我們已布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節(jié)能等領(lǐng)域的發(fā)展路線。未來我們將利用所掌握的技術(shù)，更好地服務(wù)于國計民生。

逐月追星，星辰大海中國航天步履從未停歇自主創(chuàng)新，科研攻關(guān)中央企業(yè)引領(lǐng)高水平科技自立自強(qiáng)為建設(shè)世界科技強(qiáng)國貢獻(xiàn)央企力量

天問一號預(yù)計今年5至6月?lián)駲C(jī)著陸火星

你有啥話需要天問一號帶給火星的？

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