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天问一号有多牛?“胶”里藏着大学问

来源:国资小新  撰稿人:  发布时间:2021年04月08日 浏览:
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财政部部长助理欧文汉表示,下一步将加大对制造业和科技创新的支持力度,对先进制造业企业按月全额退还增值税增量留抵税额。

  天问一号探测器于2020年7月23日在中国文昌航天发射场由长征五号运载火箭发射升空,开启奔向火星的征程,已累计飞行258天,成功完成地月合照、探测器“自拍”、中途修正、深空机动、载荷自检等工作。那么目前天问一号在做什么呢?天问一号已进入停泊轨道运行,开展预选着陆区探测,各系统状态良好,计划于2021年5月至6月择机实施火星着陆,开展巡视探测。

  天问一号任务是我国独立开展行星际探测的第一步,将通过一次发射实现对火星的“绕、着、巡”,即火星环绕、火星着陆、火面巡视,这是世界航天史上还没有过的先例。

  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,火星车使用的热控材料是新型隔热保温材料——纳米气凝胶,它将分别用来应对“极热”和“极寒”两种严酷环境,并且超轻特性极大地减小了火星车的负担,让它跑的更快,跑的更远。

  纳米气凝胶,到底有何神奇之处?小新带你一探究竟——

  气凝胶是什么

  气凝胶是一种具有纳米孔隙结构的轻质材料,被科学界誉为“改变世界的神奇材料”。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99.8%。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”。

  气凝胶有什么特性

  世界上最轻的固体:特殊的孔隙结构为气凝胶带来了独特的性能,它的密度极低,甚至比同体积的空气更轻,是世界上最轻的固体。来自中国航天科工三院306所的实验人员通过一个小实验展示了气凝胶“轻”的特性。把一块气凝胶放置在一个新鲜的花蕾上,因为气凝胶本身是非常轻的,因此不会对花蕾造成任何的影响。

  导热系数最低的固体:由于孔隙率极高且孔结构复杂,气凝胶孔内没有空气对流,使其同时具有极低的气相与固相热传导率。因此,具有轻质高效隔热性能的气凝胶材料在空间狭小、发射成本高昂的航空航天领域具有极高的应用价值。

  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。

  气凝胶在天问一号上的应用

  天问一号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达到1200℃,隔热组件能够阻隔高温,仅仅12mm的材料就能够在整个着陆过程让它身后的温度低于110℃。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,我们在火星车的表面铺设了面积约1㎡的气凝胶板,能够确保火星车在-130℃的环境正常工作。就像登山运动员身上穿的防寒服。

  “极轻”的考验,为了给火星车减负,让它“跑”的更快,“跑”的更远。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。

  气凝胶在今年空间站任务中的其他应用

  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。

  比如,气凝胶在长征五号、天舟一号早有应用。在长征五号系列火箭上主要应用于发动机高温燃气系统的隔热。在天舟一号任务中,把气凝胶做成真空隔热板安装在低温锁柜中,在飞船中搭建了超级冰箱。

  气凝胶在航天领域的发展历程

  随着我国大力发展航天事业,传统的热防护材料已经无法满足航天装备日新月异的需求。这时候航天科工的科研人员从文献中找到了气凝胶这样一种陌生又神奇的材料。通过对技术体系的追踪和研判,他们敏锐的捕捉到这种前沿材料未来可能会有巨大的应用前景。也就在这个时候,航天科工306所开始自主投入,成为国内最早开展气凝胶材料研究的单位之一。

  整个发展历程大致可以分为三个阶段:

  第一个阶段是2005~2010年,这是萌发期。这是从0到1的时期,组建团队、构建试验室、搭建小试和中试工程装备,从试验室的瓶瓶罐罐,到巴掌大的样品;从第一套敷设了气凝胶隔热层的设备舱通过高温试验考核,再到随着航天装备冲上蓝天,306所的气凝胶材料正式进入了太空。

  第二个阶段是2010~2018年,这是成熟期。经过了前期扎实的基础研究,技术团队已经掌握了气凝胶结构可控制备和工程应用的全套技术,先后发展了中温型、高温型等几个系列气凝胶产品,在二十几型航天装备上获得了应用。研究成果先后获得国家科技进步二等奖、国防技术发明一等奖和中国专利金奖。

  第三个阶段是2018年到现在,开始进入收获期。如今气凝胶研究方向延展出了十几个分支,拥有完整的自主知识产权体系,成熟产品有二十几个牌号,遍及国防和民用两个市场。

责任编辑:褚赞赞
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