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(jì)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(dòng)、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(jì)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——

　　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(gè)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(shí)會(huì)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(gè)很好聽的綽號，叫做“藍(lán)煙”。

　　氣凝膠有什么特性

　　世界上最輕的固體：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(gè)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(gè)新鮮的花蕾上，因?yàn)闅饽z本身是非常輕的，因此不會(huì)對花蕾造成任何的影響。

　　導(dǎo)熱系數(shù)最低的固體：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(shí)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(jià)值。

　　氣凝膠材料用于阻隔熱量的時(shí)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(gè)一個(gè)單獨(dú)的房間，把單個(gè)的氣體分子關(guān)起來，讓氣體分子既不能流動(dòng)也不能彼此接觸，能夠把對流傳熱消于無形。

　　氣凝膠在天問一號上的應(yīng)用

　　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(dòng)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(gè)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?130℃的環(huán)境正常工作。就像登山運(yùn)動(dòng)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?、耐溫性能和隔熱性能等方面有先天的?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)中的其他應(yīng)用

　　在空間站的搭建和運(yùn)行過程中，氣凝膠材料會(huì)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(gè)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(dòng)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。

　　氣凝膠在航天領(lǐng)域的發(fā)展歷程

　　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(shí)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(huì)有巨大的應(yīng)用前景。也就在這個(gè)時(shí)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(gè)發(fā)展歷程大致可以分為三個(gè)階段：

　　第一個(gè)階段是2005～2010年，這是萌發(fā)期。這是從0到1的時(shí)期，組建團(tuán)隊(duì)、構(gòu)建試驗(yàn)室、搭建小試和中試工程裝備，從試驗(yàn)室的瓶瓶罐罐，到巴掌大的樣品；從第一套敷設(shè)了氣凝膠隔熱層的設(shè)備艙通過高溫試驗(yàn)考核，再到隨著航天裝備沖上藍(lán)天，306所的氣凝膠材料正式進(jìn)入了太空。

　　第二個(gè)階段是2010～2018年，這是成熟期。經(jīng)過了前期扎實(shí)的基礎(chǔ)研究，技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了氣凝膠結(jié)構(gòu)可控制備和工程應(yīng)用的全套技術(shù)，先后發(fā)展了中溫型、高溫型等幾個(gè)系列氣凝膠產(chǎn)品，在二十幾型航天裝備上獲得了應(yīng)用。研究成果先后獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、國防技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)和中國專利金獎(jiǎng)。

　　第三個(gè)階段是2018年到現(xiàn)在，開始進(jìn)入收獲期。如今氣凝膠研究方向延展出了十幾個(gè)分支，擁有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)體系，成熟產(chǎn)品有二十幾個(gè)牌號，遍及國防和民用兩個(gè)市場。