中科院上海硅酸鹽研究所高級(jí)工程師孟佳在“造就Talk”演講活動(dòng)中，介紹了嫦娥系列衛(wèi)星在飛天過程中的全方位“護(hù)甲”。
一套全方位“護(hù)甲”
在每個(gè)航天器上都有一套經(jīng)過精密計(jì)算、設(shè)計(jì)的熱控制系統(tǒng)，它包含熱控涂層、熱防護(hù)材料以及熱管等。不管外部的環(huán)境變化多么劇烈，這套系統(tǒng)都能使航天器內(nèi)部維持在一定的溫度范圍，保證艙內(nèi)儀器設(shè)備正常工作。
為什么要有這套系統(tǒng)?因?yàn)榈厍蛴写髿鈱樱拖褚粋€(gè)保護(hù)罩一樣把地球保護(hù)起來。而航天器一旦沖出大氣層，就會(huì)受到紫外線、高能粒子、原子氧等極端環(huán)境的侵蝕，其中，溫度變化帶來的影響是最為顯著的。
宇宙空間是一個(gè)極高真空環(huán)境，航天器與外部環(huán)境的熱交換只有熱輻射一種方式，沒有熱傳導(dǎo)，也沒有熱對(duì)流。當(dāng)太陽直接照到航天器表面，如果沒有加防護(hù)層，溫度會(huì)很快升到100攝氏度以上，而在太陽照射不到的區(qū)域，溫度又會(huì)降到零下100攝氏度以下。因此，我們必須給航天器穿戴上一套全方位的“保護(hù)盔甲”。
量身定制的熱控涂層
人造衛(wèi)星表面涂覆著一種具有特殊功能的涂層材料，叫作熱控涂層。它專門用來調(diào)控固體表面的熱輻射性質(zhì)，從而達(dá)到熱控制的目的。
熱控涂層之于航天器，就如同衣服之于人類。而且，它還是“量身定制”的，因?yàn)樵诤教炱鞑煌牟课唬覀円x擇不同吸收輻射比的熱控涂層。
嫦娥探測(cè)器和玉兔巡視器所使用的熱控涂層多達(dá)20余種，研制工藝和吸收輻射比各不相同。這些材料的應(yīng)用確保了航天器各儀器設(shè)備在晝夜溫差高達(dá)300攝氏度的環(huán)境中依然正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
給發(fā)動(dòng)機(jī)穿“裙子”
除了熱控涂層，另外一種熱控材料是多層隔熱材料。
當(dāng)探測(cè)器飛到月球附近的時(shí)候，要實(shí)現(xiàn)繞月飛行，就必須對(duì)它進(jìn)行“剎車”，從而被月球吸引力捕獲。月面著陸是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，在下降的過程中，不能利用空氣摩擦實(shí)現(xiàn)減速，而需要用反推力來實(shí)現(xiàn)減速降落。7500牛的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)就是這個(gè)關(guān)鍵的剎車裝置。當(dāng)該發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候，最高溫度可以達(dá)到1400多攝氏度，而它周圍的儀器設(shè)備的工作溫度卻需要維持在幾十?dāng)z氏度。因此，我們必須將這兩者在溫度上隔離開。
解決方案就是在發(fā)動(dòng)機(jī)的外圍給它穿一條“裙子”，也就是高溫多層隔熱材料。這條“裙子”的厚度只有1厘米，由20多層特殊材料組成，穿上它，就在發(fā)動(dòng)機(jī)和周圍的電子元器件之間形成了一道熱屏障。哪怕“裙內(nèi)”燃燒室和噴管的溫度超過1000攝氏度，“裙外”的溫度也不會(huì)超過100攝氏度，從而確保了探測(cè)器的正常工作。
有效防止冷焊現(xiàn)象
航天器上一般都有一對(duì)大大的像翅膀一樣的部件，那是它的供電系統(tǒng)——太陽能電池陣列帆板。在這個(gè)帆板的接觸支點(diǎn)上還有一種特殊的功能涂層，叫作高摩擦抗冷焊涂層。
“高摩擦”，顧名思義就是指這個(gè)涂層具有很高的靜摩擦系數(shù)。“冷焊”是指在高真空條件下，金屬固體表面失去所吸附的氣體，相互接觸時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的黏結(jié)現(xiàn)象。因此，我們要在接觸支點(diǎn)上涂覆一種具有高摩擦系數(shù)且不易發(fā)生冷焊的陶瓷涂層，有效防止冷焊現(xiàn)象的發(fā)生。
變色龍般的未來涂層
隨著火星探測(cè)、太空探索的深入，為了適應(yīng)漫長的太空旅行，完成更復(fù)雜的航天任務(wù)，未來熱控涂層材料將會(huì)向著長壽命、輕量化、多功能化以及智能化方向發(fā)展。
為了在較長的時(shí)間內(nèi)保持性能穩(wěn)定，熱控涂層的使用壽命將達(dá)到10年、20年甚至更長。
輕量化則是為了增加航天器的有效載荷。在總重量不變的情況下，航天器要進(jìn)行“瘦身減重”，這樣才能帶更多的東西上天。目前我們已經(jīng)在世界上最輕的合金——鎂鋰合金上成功研制出了一種新的熱控涂層，并且得到了成功應(yīng)用。
多功能化是指為了應(yīng)對(duì)不同的工作環(huán)境，航天器的熱控涂層同時(shí)還具有防靜電、自清潔等其他功能。
前面所說的各種涂層的吸收輻射比是固定的，所以，航天器的不同部位必須選用不同的材料;而智能熱控涂層可以隨著航天器表面的溫度不同而變化，實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行響應(yīng)，就像變色龍一樣。
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