天問一號有多牛？“膠”里藏著大學問
天問一號探測器于2020年7月23日在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。那么目前天問一號在做什么呢？天問一號已進入停泊軌道運行，開展預選著陸區探測，各系統狀態良好，計劃于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面）
天問一號任務是我國獨立開展行星際探測的步，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、火面巡視，這是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”兩種嚴酷環境，并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？
氣凝膠是什么？
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“改變的神奇材料”。它是由納米尺度的固體骨架構成的一個三維立體網絡，網絡結構間包含著豐富的納米孔隙，孔隙率可以高達99.8%。由于它的骨架結構是納米尺度的，可見光可以從中間穿過，同時會發生瑞利散射，讓常見的二氧化硅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，所以它還有一個很好聽的綽號，叫做“藍煙”。
氣凝膠有什么特性？
上輕的固體
特殊的孔隙結構為氣凝膠帶來了獨特的性能，它的密度極低，甚至比同體積的空氣更輕，是上輕的固體。來自航天科工三院306所的實驗人員通過一個小實驗展示了氣凝膠“輕”的特性。把一塊氣凝膠放置在一個新鮮的花蕾上，因為氣凝膠本身是非常輕的，因此不會對花蕾造成任何的影響。
導熱系數低的固體
由于孔隙率極高且孔結構復雜，氣凝膠孔內沒有空氣對流，使其同時具有極低的氣相與固相熱傳導率。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值。
氣凝膠材料用于阻隔熱量的時候，它纖細的骨架讓熱量傳導變得非常困難，相當于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一個單獨的房間，把單個的氣體分子關起來，讓氣體分子既不能流動也不能彼此接觸，能夠把對流傳熱消于無形。
氣凝膠在天問一號上有哪些應用呢？
那么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，著陸發動機產生的熱量使周圍的溫度達到1200℃，隔熱組件能夠阻隔高溫，僅僅12mm的材料就能夠在整個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”考驗出現在火星巡視階段，我們在火星車的表面鋪設了面積約1㎡的氣凝膠板，能夠確?；鹦擒囋?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，為了給火星車減負，讓它“跑”的更快，“跑”的更遠。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為它在密度、耐溫性能和隔熱性能等方面有先天的優勢，二是它能夠通過微觀結構的調控，實現性能的差異化，把某一方面的性能優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，氣凝膠材料會隨長征五號系列火箭、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型號，已經遍及低空、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、天舟一號早有應用。在長征五號系列火箭上主要應用于發動機高溫燃氣系統的隔熱。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柜中，在飛船中搭建了超級冰箱。
氣凝膠在航天領域的發展歷程如何？
隨著我國大力發展航天事業，傳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有巨大的應用前景。也就在這個時候，航天科工306所開始自主投入，成為國內早開展氣凝膠材料研究的單位之一。
整個發展歷程大致可以分為三個階段：
個階段是2005～2010年，這是萌發期。這是從0到1的時期，組建團隊、構建試驗室、搭建小試和中試工程裝備，從試驗室的瓶瓶罐罐，到巴掌大的樣品；從套敷設了氣凝膠隔熱層的設備艙通過高溫試驗考核，再到隨著航天裝備沖上藍天，306所的氣凝膠材料正式進入了太空。
第二個階段是2010～2018年，這是成熟期。經過了前期扎實的基礎研究，技術團隊已經掌握了氣凝膠結構可控制備和工程應用的全套技術，先后發展了中溫型、高溫型等幾個系列氣凝膠產品，在二十幾型航天裝備上獲得了應用。研究成果先后獲得科技進步二等獎、國防技術發明一等獎和金獎。
第三個階段是2018年到現在，開始進入收獲期。如今氣凝膠研究方向延展出了十幾個分支，擁有完整的自主知識產權體系，成熟產品有二十幾個牌號，遍及國防和民用兩個市場。
延伸閱讀
納米氣凝膠在航天領域的發展和應用，是企業科技創新實力的一個縮影。未來，氣凝膠材料如何深化發展，從基礎研究到實用化、工程化的轉化之路還有哪些挑戰？
數十次實驗讓納米氣凝膠材料成功應用于天問一號
問
針對天問一號的氣凝膠材料整個試驗過程持續多長時間？都做了哪些試驗？
答：我們是2014年了解到火星探測關于熱防護的需求，到現在已經7年了。航天產品要要求就是質量可靠，為了確保萬無一失，天問一號上用到的兩種氣凝膠材料先后經過了物理特性、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批次的重復驗證。
問
在研制過程中有遇到什么困難？后來是怎么解決的？
答：天問一號上使用的兩種氣凝膠材料對性能的要求極為苛刻又各不相同。他們的化學成分都是二氧化硅，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于水晶的1%。這對于研發團隊來說是一項不小的挑戰。
為了解決這個問題，我們分了兩個步驟。先是找到微觀結構決定宏觀性能的科學規律，換個通俗的說法就是，要知道到底長成什么樣的氣凝膠耐溫性更好，而長成什么樣的氣凝膠才能有超低的密度。找到答案后，第二步是如何通過配方設計、通過整套制備工藝的優化和參數控制來把我們想要的微觀結構在現實中呈現出來。
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，后續著陸火星后有何安排？
答：雖然針對天問一號的研制任務已暫告一段落，對于我們團隊來說，這只是若干研究方向和若干產品中的一個。面向十四五，團隊提出的目標是“更高性能、更多功能和更低成本”。
面對重大戰略需求，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、電磁干擾等特殊功能的氣凝膠材料都在研發當中；面向國民經濟主戰場，團隊正在開展低成本制備技術的研發，希望在新能源汽車、工業保溫和建筑節能等領域擴大應用。
我們也和每一個關心航天的普通人一樣，正密切關注天問一號的任務進展，成功落火后，根據總體單位反饋的回傳數據，將進行數據的整理和分析工作，用于指導后續材料的性能優化。
圖片
氣凝膠材料已授權50余項
問
針對納米氣凝膠材料提交申請有何進展？
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系中，沒有能滿足這一應用需求的材料。因此，我們針對這一需求率先開展研究，并在材料研發初期，對前驅體涉及、制備工藝流程及應用等方面都進行了積極的布局，持續開展的申請，現已積累了較為全面的知識產權成果。
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，主要從反應原理、微觀結構設計、超臨界狀態下模擬等方面進行檢索，根據研發經驗和理論知識，開發了新的合成步驟，并探索出可行的工藝方案。經過長時間的反復嘗試和優化，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306所核心專業技術方向之一，目前，在相關領域共提交有效申請125項，獲得授權50余項。
氣凝膠材料應用于日常生活場景，服務國計民生
問
以高性能隔熱復合材料中使用溫域覆蓋-100℃至2500℃的系列化氣凝膠材料產品為例，能否舉例說明這些產品的在日常生活中有哪些具體應用場景？
答：實際上，我們的高性能隔熱復合材料不僅能“上九天攬月”，服務于航空航天高端領域，其在日常民用市場也占據了一席之地。如我們研制的氣凝膠防寒服、防寒靴被譽為新一代超輕超保暖產品，鋼包保溫隔熱產品幫助鋼鐵企業節約了大量能源成本，同時我們在新能源汽車上也應用了氣凝膠產品。
我們非常重視高性能復合材料技術向民用市場的轉化，如開展了用于天舟一號低溫鎖柜的真空氣凝膠隔熱板在超級節能冰箱中的應用研究等。我們已布局了高性能氣凝膠在防火裝備、管道保溫、建筑節能等領域的發展路線。未來我們將利用所掌握的技術，更好地服務于國計民生。
