中科院上海硅酸鹽研究所高級工程師孟佳在“造就Talk”演講活動中，介紹了嫦娥系列衛(wèi)星在飛天過程中的全方位“護甲”。
一套全方位“護甲”
在每個航天器上都有一套經(jīng)過精密計算、設計的熱控制系統(tǒng)，它包含熱控涂層、熱防護材料以及熱管等。不管外部的環(huán)境變化多么劇烈，這套系統(tǒng)都能使航天器內部維持在一定的溫度范圍，保證艙內儀器設備正常工作。
為什么要有這套系統(tǒng)?因為地球有大氣層，它就像一個保護罩一樣把地球保護起來。而航天器一旦沖出大氣層，就會受到紫外線、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，也沒有熱對流。當太陽直接照到航天器表面，如果沒有加防護層，溫度會很快升到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。它專門用來調控固體表面的熱輻射性質，從而達到熱控制的目的。
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，因為在航天器不同的部位，我們要選擇不同吸收輻射比的熱控涂層。
嫦娥探測器和玉兔巡視器所使用的熱控涂層多達20余種，研制工藝和吸收輻射比各不相同。這些材料的應用確保了航天器各儀器設備在晝夜溫差高達300攝氏度的環(huán)境中依然正常運轉。
給發(fā)動機穿“裙子”
除了熱控涂層，另外一種熱控材料是多層隔熱材料。
當探測器飛到月球附近的時候，要實現(xiàn)繞月飛行，就必須對它進行“剎車”，從而被月球吸引力捕獲。月面著陸是在真空狀態(tài)下進行的，在下降的過程中，不能利用空氣摩擦實現(xiàn)減速，而需要用反推力來實現(xiàn)減速降落。7500牛的變推力發(fā)動機就是這個關鍵的剎車裝置。當該發(fā)動機工作的時候，最高溫度可以達到1400多攝氏度，而它周圍的儀器設備的工作溫度卻需要維持在幾十攝氏度。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)動機的外圍給它穿一條“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)動機和周圍的電子元器件之間形成了一道熱屏障。哪怕“裙內”燃燒室和噴管的溫度超過1000攝氏度，“裙外”的溫度也不會超過100攝氏度，從而確保了探測器的正常工作。
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。在這個帆板的接觸支點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，相互接觸時會發(fā)生不同程度的黏結現(xiàn)象。因此，我們要在接觸支點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、太空探索的深入，為了適應漫長的太空旅行，完成更復雜的航天任務，未來熱控涂層材料將會向著長壽命、輕量化、多功能化以及智能化方向發(fā)展。
為了在較長的時間內保持性能穩(wěn)定，熱控涂層的使用壽命將達到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，并且得到了成功應用。
多功能化是指為了應對不同的工作環(huán)境，航天器的熱控涂層同時還具有防靜電、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，實時自動對周圍的環(huán)境進行響應，就像變色龍一樣。
關鍵詞： 嫦娥衛(wèi)星
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