天問一號探測器於(yu) 2020年7月23日在中國文昌航天發射場由長征五號運載火箭發射升空，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、深空機動、載荷自檢等工作。那麽(me) 目前天問一號在做什麽(me) 呢？天問一號已進入停泊軌道運行，開展預選著陸區探測，各係統狀態良好，計劃於(yu) 2021年5月至6月擇機實施火星著陸，開展巡視探測。

▲ 天問一號探測器火星捕獲過程影像（定向天線監視相機畫麵）

天問一號任務是我國獨立開展行星際探測的第一步，將通過一次發射實現對火星的“繞、著、巡”，即火星環繞、火星著陸、火麵巡視，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，使用了我國獨立自主研發的多項“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，它將分別用來應對“極熱”和“極寒”兩(liang) 種嚴(yan) 酷環境，並且超輕特性極大地減小了火星車的負擔，讓它跑的更快，跑的更遠。

納米氣凝膠，到底有何神奇之處？小新帶你一探究竟——

氣凝膠是什麽(me) ？

氣凝膠是一種具有納米孔隙結構的輕質材料，被科學界譽為(wei) “改變世界的神奇材料”。它是由納米尺度的固體(ti) 骨架構成的一個(ge) 三維立體(ti) 網絡，網絡結構間包含著豐(feng) 富的納米孔隙，孔隙率可以高達99.8%。由於(yu) 它的骨架結構是納米尺度的，可見光可以從(cong) 中間穿過，同時會(hui) 發生瑞利散射，讓最常見的二氧化矽氣凝膠肉眼看上去像是被凍住的藍色煙霧，這和天空呈現藍色的原理是一樣，所以它還有一個(ge) 很好聽的綽號，叫做“藍煙”。

▲各種氣凝膠材料展示

氣凝膠有什麽(me) 特性？

特殊的孔隙結構為(wei) 氣凝膠帶來了獨特的性能，它的密度極低，甚至比同體(ti) 積的空氣更輕，是世界上最輕的固體(ti) 。來自中國航天科工三院306所的實驗人員通過一個(ge) 小實驗展示了氣凝膠“輕”的特性。把一塊氣凝膠放置在一個(ge) 新鮮的花蕾上，因為(wei) 氣凝膠本身是非常輕的，因此不會(hui) 對花蕾造成任何的影響。

▲氣凝膠超輕展示實驗

由於(yu) 孔隙率極高且孔結構複雜，氣凝膠孔內(nei) 沒有空氣對流，使其同時具有極低的氣相與(yu) 固相熱傳(chuan) 導率。因此，具有輕質高效隔熱性能的氣凝膠材料在空間狹小、發射成本高昂的航空航天領域具有極高的應用價(jia) 值。

氣凝膠材料用於(yu) 阻隔熱量的時候，它纖細的骨架讓熱量傳(chuan) 導變得非常困難，相當於(yu) 讓熱量沿著羊腸小道在三維網絡上走迷宮；而大量的納米孔隙就像一個(ge) 一個(ge) 單獨的房間，把單個(ge) 的氣體(ti) 分子關(guan) 起來，讓氣體(ti) 分子既不能流動也不能彼此接觸，能夠把對流傳(chuan) 熱消於(yu) 無形。

▲氣凝膠隔熱耐高溫性能展示實驗

氣凝膠在天問一號上有哪些應用呢？

那麽(me) 在天問一號上又有哪些應用，在探測器“落”和“巡”過程發揮了哪些作用呢？

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

“極熱”考驗出現在火星著陸階段，著陸發動機產(chan) 生的熱量使周圍的溫度達到1200℃，隔熱組件能夠阻隔高溫，僅(jin) 僅(jin) 12mm的材料就能夠在整個(ge) 著陸過程讓它身後的溫度低於(yu) 110℃。就像消防員身上穿的防火服。

“極寒”考驗出現在火星巡視階段，我們(men) 在火星車的表麵鋪設了麵積約1㎡的氣凝膠板，能夠確保火星車在-130℃的環境正常工作。就像登山運動員身上穿的防寒服。

“極輕”的考驗，為(wei) 了給火星車減負，讓它“跑”的更快，“跑”的更遠。這裏使用的是超低密度的氣凝膠，自身的密度隻有15mg/cm3，同等體(ti) 積下，重量隻有鋼的1/500，鋁的1/180，水的1/60。

選擇這種材料一是因為(wei) 它在密度、耐溫性能和隔熱性能等方麵有先天的優(you) 勢，二是它能夠通過微觀結構的調控，實現性能的差異化，把某一方麵的性能優(you) 勢進一步發揮到極致，也就是讓長板更長。

氣凝膠在今年空間站任務中還有其他應用嗎？

在空間站的搭建和運行過程中，氣凝膠材料會(hui) 隨長征五號係列火箭、天舟二號貨運飛船執行運輸任務。

氣凝膠材料在航天領域已經獲得了廣泛的應用，涉及到的航天裝備超過三十個(ge) 型號，已經遍及低空、高空、臨(lin) 近空間和深空的各類飛行器。

比如，氣凝膠在長征五號、天舟一號早有應用。在長征五號係列火箭上主要應用於(yu) 發動機高溫燃氣係統的隔熱。在天舟一號任務中，把氣凝膠做成真空隔熱板安裝在低溫鎖櫃中，在飛船中搭建了超級冰箱。

▲天舟一號上應用的氣凝膠真空隔熱板展示材料

氣凝膠在航天領域的發展曆程如何？

隨著我國大力發展航天事業(ye) ，傳(chuan) 統的熱防護材料已經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(cong) 文獻中找到了氣凝膠這樣一種陌生又神奇的材料。通過對技術體(ti) 係的追蹤和研判，他們(men) 敏銳的捕捉到這種前沿材料未來可能會(hui) 有巨大的應用前景。也就在這個(ge) 時候，航天科工306所開始自主投入，成為(wei) 國內(nei) 最早開展氣凝膠材料研究的單位之一。

整個(ge) 發展曆程大致可以分為(wei) 三個(ge) 階段：

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納米氣凝膠在航天領域的發展和應用，是中央企業(ye) 科技創新實力的一個(ge) 縮影。未來，氣凝膠材料如何深化發展，從(cong) 基礎研究到實用化、工程化的轉化之路還有哪些挑戰？小新對306所副所長、研究員張昊進行了專(zhuan) 訪，一起來看——

數十次實驗讓納米氣凝膠材料成功應用於(yu) 天問一號

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

答：我們(men) 是2014年了解到火星探測關(guan) 於(yu) 熱防護的需求，到現在已經7年了。航天產(chan) 品首要要求就是質量可靠，為(wei) 了確保萬(wan) 無一失，天問一號上用到的兩(liang) 種氣凝膠材料先後經過了物理特性、力學性能、隔熱性能和空間環境耐候性能等四大類總共98項試驗測試。而且每一項試驗都需要經過多個(ge) 批次的重複驗證。
 

問：在研製過程中有遇到什麽(me) 困難？後來是怎麽(me) 解決(jue) 的？

答：天問一號上使用的兩(liang) 種氣凝膠材料對性能的要求極為(wei) 苛刻又各不相同。他們(men) 的化學成分都是二氧化矽，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於(yu) 水晶的1%。這對於(yu) 研發團隊來說是一項不小的挑戰。

為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，我們(men) 分了兩(liang) 個(ge) 步驟。首先是找到微觀結構決(jue) 定宏觀性能的科學規律，換個(ge) 通俗的說法就是，要知道到底長成什麽(me) 樣的氣凝膠耐溫性更好，而長成什麽(me) 樣的氣凝膠才能有超低的密度。找到答案後，第二步是如何通過配方設計、通過整套製備工藝的優(you) 化和參數控製來把我們(men) 想要的微觀結構在現實世界中呈現出來。
 

問：天問一號5月即將著陸火星，您的團隊目前還在做哪些研究、試驗，後續著陸火星後有何安排？

答：雖然針對天問一號的研製任務已暫告一段落，對於(yu) 我們(men) 團隊來說，這隻是若幹研究方向和若幹產(chan) 品中的一個(ge) 。麵向十四五，團隊提出的目標是“更高性能、更多功能和更低成本”。

麵對國家重大戰略需求，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、電磁幹擾等特殊功能的氣凝膠材料都在研發當中；麵向國民經濟主戰場，團隊正在開展低成本製備技術的研發，希望在新能源汽車、工業(ye) 保溫和建築節能等領域擴大應用。

我們(men) 也和每一個(ge) 關(guan) 心中國航天的普通人一樣，正密切關(guan) 注天問一號的任務進展，成功落火後，根據總體(ti) 單位反饋的回傳(chuan) 數據，將進行數據的整理和分析工作，用於(yu) 指導後續材料的性能優(you) 化。

氣凝膠材料已授權專(zhuan) 利50餘(yu) 項
 

問：針對納米氣凝膠材料提交專(zhuan) 利申請有何進展？

答：天問一號任務要求氣凝膠材料具有超低的密度和絕佳的隔熱性能。在現有的氣凝膠材料體(ti) 係中，沒有能滿足這一應用需求的材料。因此，我們(men) 針對這一需求率先開展研究，並在材料研發初期，對前驅體(ti) 涉及、製備工藝流程及應用等方麵都進行了積極的專(zhuan) 利布局，持續開展專(zhuan) 利的申請，現已積累了較為(wei) 全麵的星空体育官网入口网站產(chan) 權成果。

研究人員針對高難度的技術研發需求進行有針對性的大量文獻檢索，主要從(cong) 反應原理、微觀結構設計、超臨(lin) 界狀態下模擬等方麵進行檢索，根據研發經驗和理論星空体育官网入口网站，開發了新的合成步驟，並探索出可行的工藝方案。經過長時間的反複嚐試和優(you) 化，成功開發出滿足要求的超低密度氣凝膠隔熱材料。

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

答：納米氣凝膠防隔熱材料技術已發展成為(wei) 306所核心專(zhuan) 業(ye) 技術方向之一，目前，在相關(guan) 領域共提交有效專(zhuan) 利申請125項，獲得授權專(zhuan) 利50餘(yu) 項。
 

氣凝膠材料應用於(yu) 日常生活場景，服務國計民生

問：以高性能隔熱複合材料中使用溫域覆蓋-100℃至2500℃的係列化氣凝膠材料產(chan) 品為(wei) 例，能否舉(ju) 例說明這些產(chan) 品的在日常生活中有哪些具體(ti) 應用場景？

答：實際上，我們(men) 的高性能隔熱複合材料不僅(jin) 能“上九天攬月”，服務於(yu) 航空航天高端領域，其在日常民用市場也占據了一席之地。如我們(men) 研製的氣凝膠防寒服、防寒靴被譽為(wei) 新一代超輕超保暖產(chan) 品，鋼包保溫隔熱產(chan) 品幫助鋼鐵企業(ye) 節約了大量能源成本，同時我們(men) 在新能源汽車上也應用了氣凝膠產(chan) 品。

我們(men) 非常重視高性能複合材料技術向民用市場的轉化，如開展了用於(yu) 天舟一號低溫鎖櫃的真空氣凝膠隔熱板在超級節能冰箱中的應用研究等。我們(men) 已布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建築節能等領域的發展路線。未來我們(men) 將利用所掌握的技術，更好地服務於(yu) 國計民生。

逐月追星，星辰大海中國航天步履從(cong) 未停歇自主創新，科研攻關(guan) 中央企業(ye) 引領高水平科技自立自強為(wei) 建設世界科技強國貢獻央企力量

天問一號預計今年5至6月擇機著陸火星

你有啥話需要天問一號帶給火星的？

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