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材料|天问一号成功着陆 神奇外衣为其“遮风挡雨”

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2021年5月15日7时18分 ， 我国科研团队根据“祝融号”火星车发回遥测信号确认 ， 天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区 ， 我国首次火星探测任务着陆火星取得圆满成功！
我国首次火星探测任务于2016年立项 ， 计划通过一次任务实现对火星的“环绕、着陆和巡视探测” ， 这是世界航天史上还没有过的先例；2020年7月23日 ， 天问一号探测器由长征五号运载火箭在海南文昌成功发射；2021年2月10日 ， 成功实施火星捕获 ， 成为我国第一颗人造火星卫星；2月24日 ， 进入火星停泊轨道 ， 开展了为期约3个月的环绕探测 ， 为顺利着陆火星奠定了基础 。 随着探测器成功着陆火星 ， 我国成为第二个成功着陆火星的国家 ， 实现了从地月系到行星际的跨越 ， 迈出了征服“星辰大海”的重要一步！
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 ， 火星车采用了一种新型隔热保温材料——纳米气凝胶 ， 它将分别用来应对“极热”和“极寒”两种严酷环境 ， 并且凭借其超轻特性极大地减小了火星车的负担 ， 让它跑得更快 ， 跑得更远 。
神奇材料 脱颖而出
纳米气凝胶是一种并不被大众熟知的神奇材料 。 它是由纳米尺度的固体骨架构成的一个三维立体网络 ， 它的密度可以做到比空气还轻 ， 是世界上最轻的固体；导热系数仅为静止空气的一半 ， 是导热系数最低的固体 ， 这使它成为“天问一号”应对极寒、极热等严酷环境所需热防护材料的不二之选 。
中国航天科工三院306所作为航天科工特种材料及工艺技术研究中心 ， 早在2005年就通过对热防护材料技术体系的追踪和研判 ， 敏锐地捕捉到气凝胶材料未来将在空天领域有巨大的应用前景 。 也就在这个时候 ， 该所果断开始自主投入 ， 成为国内最早开展气凝胶材料研究的单位之一 。
因此 ， 当2014年了解到火星探测关于热防护的需求时 ， 306所已在气凝胶领域深耕了近10年 。 迈过了从0到1 ， 组建团队、构建试验室、搭建工程装备的初创期 ， 该所研制的气凝胶也早已从试验室的瓶瓶罐罐 ， 巴掌大的样品到通过关键型号高温试验考核的稳定构件 ， 并随着航天装备一次次冲上蓝天 。
凭借前期扎实的基础研究 ， 306所气凝胶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 。
永不言弃 艰苦攻关
虽然前期有足够的技术和经验积累 ， 但面对“天问一号”新的严酷使役环境 ， 306所气凝胶技术团队还是碰上了“硬茬” 。
火星着陆阶段 ， 着陆发动机产生的热量使周围的温度超过1000℃ ， 这种“极热”考验超出了当时世界上气凝胶材料的耐温极限；而“极寒”考验出现在火星巡视阶段 ， 要能够确保火星车在-130℃的环境正常工作 。 更难的是 ， 为了给火星车减负 ， 需要气凝胶具有超低密度 ， 这对材料设计和制备都提出了巨大的挑战 。
如果说科学发现还有灵光乍现的幸运 ， 那科学规律的探究和工程应用是没有捷径可走的 。 团队秉承航天工作者“严、慎、细、实”的工作作风 ， 尝试了上百种配方 ， 把几十个工艺参数化整为零 ， 开展了大量的验证试验 。
经历一次次失败 ， 一次次从头再来 ， 他们终于解决了原理性问题 ， 拿出了成熟的技术方案和产品：仅仅10mm左右的隔热组件能够在整个着陆过程中将上千度的高温阻隔到可接受的范围 ， 就像消防员身上穿的防火服；通过火星车表面铺设大面积的气凝胶板 ， 就像登山运动员身上穿的防寒服 ， 不仅阻隔了环境的超低温 ， 同时凭借15mg/cm3的超低密度 ， 即同等体积下 ， 重量只有钢的1/500 ， 铝的1/180 ， 水的1/60 ， 保障火星车“跑”得更快 ， “跑”得更远 。
团队成员们深知 ， 航天产品还有一项极其重要的要求就是质量可靠 ， 必须确保万无一失 。 为此 ， “天问一号”上用到的两种气凝胶材料先后经过了物理特性、力学性能、隔热性能和空间环境耐候性能等四大类总共98项试验测试 。 而且每一项试验都需要经过多个批次的重复验证 。 最终 ， 研发的高性能气凝胶材料如期赶上了飞往火星的“航班” 。
创新不止 再创辉煌
九层之台起于垒土 。 历经十余年的发展 ， 306所的气凝胶技术团队已经拥有海归和双一流高校硕士博士三十余人 ， 他们攻克了一个又一个急难险重任务 ， 经历了一次又一次从“0”到“1”的创造过程 ， 将研究方向延展出了十几个分支 ， 开发出了二十几个牌号拥有自主知识产权的成熟产品 ， 不仅满足国防装备的研制需求 ， 更是接连在长征系列运载火箭、天舟系列货运飞船、天问一号火星探测器等国家重大任务中现身 ， 实现年均直接经济效益超过2亿元 ， 相关研究成果喜获国家科技进步奖、国防技术发明奖和中国专利金奖等荣誉表彰 。
面向十四五 ， 团队提出了“更高性能、更多功能”的研究目标 。 面对航天航空领域需求 ， 能够耐受更高温度、具有更好隔热性能的气凝胶材料、具有光电磁等特殊功能的气凝胶材料都在研发当中；面向国民经济主战场 ， 团队正在开展低成本制备技术的研发 ， 希望在新能源汽车、工业保温和建筑节能等领域扩大应用 ， 为碳达峰和碳中和做出贡献 。
回首60载 ， 中国航天 ， 逐月追星 ， 步履从未停歇；放眼未来 ， 每一个航天材料人都将不忘初心、砥砺前行 ， 为下一个十年的空天征途续写新的辉煌篇章 。 （田少星 雷朝帅）
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