孟佳 中科院上海硅酸盐研究所 高级工程师

从地球飞到月球,嫦娥到底穿了什么衣服?

造就 TALK · 2019-04-23 · 11:27:54

造就第420位讲者 孟佳

中科院上海硅酸盐研究所高级工程师

明月几时有

把酒问青天

不知天上宫阙

今夕是何年

浩瀚星空,一轮明月带给了人类无尽的遐想。然而直到今天,人类都不了解月球背面究竟是什么样。

由于潮汐锁定效应,月亮绕地球公转和自转的周期相同,都是27天7小时43分11.47秒,我们在地球上看到的月亮与几亿年前恐龙看到的月亮,依然是同一面。

遨游太空探索宇宙奥秘是人类自古以来一直梦寐以求的愿望,我们锲而不舍地想要挣脱地球的引力,去看看地球之外究竟有什么。自1958年以来,中国在宇宙探索的征程上经过了60年的发展,先后树立了三个里程碑:发射人造卫星、载人航天和月球探测。

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随着2019年1月3日嫦娥四号探测器首次在月球背面成功登陆,人类终于有望逐渐揭开月球背面的秘密。

全方位护甲

我所任职的中科院上海硅酸盐研究所特种无机涂层重点实验室,主要从事与航天器相关的各种热控涂层、热防护材料的研究开发,从第一颗人造卫星“东方红一号”到嫦娥四号探测器,见证了我国航天事业的发展。

在每个航天器上都有一套经过精密计算、设计而来的热控制系统,它包含热控涂层、热防护材料以及热管等。不管外部的条件变化多么剧烈,都能使航天器内部维持在一定的温度范围,保证舱内仪器设备正常工作。

为什么要有这套系统呢?

我们都知道地球有大气层,它就像一个保护罩一样把我们的地球保护起来,为地球提供空气,并且可以让地球的温度变化稳定在一个可适应的范围内。

而航天器一旦冲出大气层,失去了它的保护,就像一个赤身裸体的新生婴儿,会受到紫外线、高能粒子、原子氧等极端环境的侵蚀,其中温度变化带来的影响是最为显著的。

因为宇宙空间是个极高真空环境,航天器与外部环境的热交换只有热辐射一种方式,没有热传导,也没有热对流。当太阳直接照到航天器表面,如果没有加防护层,温度会很快升到100摄氏度以上,而在太阳照射不到的区域,它的温度又会降到零下100度以下。因此我们必须给航天器穿戴上一套全方位的保护盔甲。

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热控涂层

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这是东方红一号人造卫星,最外层这件闪着金光的外衣绝不是为了好看,它是一种具有特殊功能的涂层材料,叫做热控涂层,也是我们给嫦娥打造的最重要的装备之一。它是涂覆在材料表面,专门用来调控固体表面热辐射性质,从而达到热控制目的。

热控涂层之于航天器就如同衣服对于人类。而且还属于“高端私服、量身定制”。在航天器不同的部位,我们还要选择不同吸辐比[太阳吸收比和半球发射率的比值]的热控涂层。

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嫦娥四号探测器和玉兔巡视器所使用的热控涂层多达20余种,研制工艺和吸辐比各不相同,这些材料的应用确保了航天器各仪器设备在昼夜温差高达300度的环境中依然正常运转。

多层隔热材料

除了热控涂层,另外一种热控材料是多层隔热材料。

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当探测器飞行到月球附近的时候,它相对月球的速度大于月球的逃逸速度(2.38公里/秒),如果不减速,这个探测器就会飞离月球。而要实现绕月飞行,就必须对它进行制动。也就是要刹一下车,将飞行速度降到月球逃逸速度以内,从而被月球吸引力捕获。

而在下降的过程中,月面着陆是在真空状态下的软着陆,没有大气,也就意味着不能利用空气摩擦实现减速,因此需要用反推力来实现减速降落。

7500牛的变推力发动机就是这个关键的刹车装置。当它发动机工作的时候,最高温度可以高达1400多度,而它周围的仪器设备的工作温度却需要维持在几十度左右。因此,我们必须将这两者在温度上隔离开。

解决方案就是在发动机的外围给它穿一条“裙子”,也就是高温多层隔热材料。

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这条“裙子”的厚度只有1厘米,由20多层特殊材料组成,穿上它就在发动机和周围的电子元器件之间形成了一道热屏障。哪怕裙内燃烧室和喷管的温度超过了1000度,裙外的温度也不会超过100度,确保了嫦娥四号探测器的正常工作。

这种神奇的隔热材料是由低发射率的反射屏和低导热率的隔热层交替叠合生成的,在真空条件下它的热传导率极低,表现出极好的隔热性能,在日常生活中这种技术也得到了很好的应用。一些户外运动品牌推出的热能羽绒服就采用了类似的原理。

高摩擦抗冷焊涂层

航天器上一般都有一对大大的像翅膀一样的部件,那是它的供电系统——太阳能电池阵列帆板。在这个帆板的接触支点上还有一种特殊的功能涂层,叫做高摩擦抗冷焊涂层。

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“高摩擦”顾名思义就是指这个涂层具有很高的静摩擦系数;“冷焊”是在高真空条件下,金属固体表面失去所吸附的气体,相互接触时发生不同程度的黏结现象。在微观程度下这种现象与材料表面原子的扩散是密切相关的,因此我们就在接触支点材料的一面涂覆了一种具有高摩擦系数且不易发生冷焊的陶瓷涂层,有效地防止了冷焊现象的发生。

这种高摩擦性能能确保太阳能帆板在经过发射、奔月、着陆以及两极分离等加速、减速环节后连接仍然稳定可靠。

而抗冷焊性则表现在经历长达14天,零下180度的极寒月夜时,玉兔的侧太阳帆板能收拢起来,像棉被一样盖在玉兔的身上,帮助它在寒夜里减少散热,而在月夜过后,经过长时间压紧、收拢状态的太阳帆板依然能够伸张自如,不会被“冻僵”。这个涂层为太阳能帆板的可靠接触和频繁启闭发挥了重要作用。

高温抗氧化涂层

网上有人在问:“宇宙空间是一个真空的环境,为什么航天器上还要用高温抗氧化涂层呢?”其实这些抗氧化涂层是用于嫦娥四号上十几个推力不同、方向各异的姿态发动机上的。

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嫦娥四号上的姿控发动机及推力室喷管

图上看到的这些喇叭状的部件就是推力室喷管。别看它们个头很小,但是它们作用却很大。

月球与地球相距38万公里,“嫦娥奔月”过程中要经过多次变轨才能实现着陆,每次都是通过这些姿态发动机点火产生反推力来调整和控制姿态。它们就像航天器的方向盘,差之毫厘,谬以千里。

为了使嫦娥准确着陆,必须确保发动机具有100%的工作可靠性。航天器用轨道和姿态控制发动机采用的是双阻元液体推进剂,也就是四氧化氮和肼类燃料,它在点火时会形成高温氧化环境,目前我们发动机推力室是难熔高温合金材料制成的,但它的高温抗氧化性能很差,很容易发生灾难性的PEST粉化氧化[即在某一特定温度范围内结构快速发生灾难性破坏,同时伴随加速内氧化过程的现象]。如果没有高温抗氧化涂层的保护,在高温氧化的环境中推力室在很短的时间内就会被烧穿。

给推力室部件表面涂覆上微米级的硅化物体系高温抗氧化涂层后,在高达1300度的有氧环境下,硅化物首先会被氧化,进而在涂层的表面形成一层连续致密的玻璃态氧化硅,有效地隔绝进一步氧化。另一方面,由于这个氧化硅在高温下具有一定的流动性,还能自动弥补涂层氧化过程中产生的裂纹、孔洞等缺陷,就像我们人体的血小板一样具有止血自愈的功能。

为了更遥远的征途

随着火星探测、太空探索的深入,为了适应漫长的太空旅行,完成更复杂的航天任务,未来热控涂层材料将会向着长寿命、轻量化、多功能化以及智能化方向发展。

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不仅要经受住温度剧烈变化的考验,还要能扛住长期的太阳紫外辐照、高能宇宙射线、微流星撞击等恶劣环境。为了在较长的时间内保持性能稳定,热控涂层的使用寿命就必须达到十年、二十年甚至要更长。

轻量化则是为了增加航天器的有效载荷。在总重量不变的情况下,航天器要进行瘦身减重,这样才能带更多的东西上天。目前我们已经在世界上最轻的合金——镁锂合金上成功地研制出了一种新的热控涂层并且得到了成功的应用。

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多功能化是指在具有热控作用的同时还具有其他的功能。为了应对不同的工作环境,未来的航天器上还需要具有防静电功能的热控涂层,防止月球上灰尘污染的自清洁热控涂层,可以吸附分子级污染物的热控涂层等等。

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前面所说的各种涂层的吸辐比是固定的,可以看作一个被动作用,所以在航天器的不同的部位我们必须选用不同的材料。而智能热控涂层是基于材料的热致相变特征研制的,涂层的发射率可以随着航天器表面的温度变化而变化,实时自动对周围的环境进行响应,就像变色龙一样,这种涂层特别适用于对功能和质量要求非常苛刻的微纳卫星。

目前我们实验室开发了两类智能热控涂层,一种是具有钙钛矿结构的锰氧化物,它是一种缺陷型化合物,随着温度的变化,材料的晶格结构会发生转变,在转变的过程中呈现出金属性和绝缘性。

另一类是基于氧化钒薄膜来制备的,它在特定的温度下会发生一个金属-半导体相变,就像我们平时自动运转的百叶窗一样,在室内的温度较高的时候,它能够遮住光线;而当室内温度低时就能透出光线来。这两种涂层已经在实验卫星上成功搭载,并得到了广泛应用。

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了解月球这颗离地球最近的星球只是第一步,随着各种深空探测技术的发展和成熟,人类在地球与月球之间往返,建立永久性月球基地,长期开发月球资源将不再是科幻小说里的想象,甚至在未来的某一天,我们还可能在月球建成中转站、航天港,用于火星探测和更远的太空任务。

航天是人类的至高梦想,也是前沿科学研究中最复杂最艰难的部分,需要长期的投入和关注,唯有掌控天地冷暖,才能纵横无限宇宙。


文字:漫倩

校对:其奇

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