幸运武林

從地球飛到月球,“嫦娥”到底穿了什么衣服

2019-06-03 02:06:00 讀者·校園版 2019年12期

孟佳

浩瀚星空,一輪明月帶給了人類無盡的遐想。然而直到今天,人類都不了解月球背面究竟是什么樣的。

由于潮汐鎖定效應,月亮繞地球公轉和自轉的周期相同,都是27天7小時43分11.47秒,所以我們在地球上看到的月亮與幾億年前恐龍看到的月亮,依然是同一面。

遨游太空、探索宇宙奧秘是人類自古以來的愿望,我們鍥而不舍地想要掙脫地球的引力,去看看地球之外究竟有什么。自1958年以來,中國在探索宇宙的征程上經過60余年的發展,先后樹立了三個里程碑:發射人造衛星、載人航天和月球探測。

隨著2019年1月3日“嫦娥四號”探測器首次在月球背面成功登陸,人類終于有望揭開月球背面的秘密。

全方位護甲

我所任職的中科院上海硅酸鹽研究所特種無機涂層重點實驗室,主要從事與航天器相關的各種熱控涂層、熱防護材料的研究和開發。從第一顆人造衛星“東方紅一號”到“嫦娥四號”探測器,我們實驗室見證了我國航天事業的發展。

每個航天器上都有一套經過精密計算、設計的熱控制系統。這套系統包含熱控涂層、熱防護材料以及熱管等。不管外部條件的變化多么劇烈,這套系統都能使航天器內部維持在一定的溫度范圍內,保證艙內的儀器設備正常工作。

為什么要有這套系統呢?

我們都知道地球有大氣層,它就像一個保護罩一樣保護著我們的地球,為地球提供空氣,并且可以讓地球的溫度變化維持在一個可適應的范圍內。

而航天器一旦沖出大氣層,失去了大氣層的保護,就像一個赤身裸體的新生嬰兒,會受到紫外線、高能粒子、原子氧等的侵蝕,其中溫度變化所帶來的影響是最為顯著的。

因為宇宙空間是極高真空的環境,航天器與外部環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℃以上;而在太陽照射不到的區域,溫度又會降到-100℃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。

熱控涂層

“東方紅一號”人造衛星最外層的金色外衣絕不是為了美觀,它是一種具有特殊功能的涂層材料,叫作熱控涂層,也是我們給“嫦娥”打造的重要裝備之一。它被涂覆在材料表面,專門用來調控固體表面熱輻射性質,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,而且還屬于“高端私服、量身定制”。在航天器不同的部位,我們還要選擇不同吸輻比(太陽吸收比和半球發射率的比值)的熱控涂層。

“嫦娥四號”探測器和“玉兔”巡視器所使用的熱控涂層有20余種,研制工藝和吸輻比各不相同。這些材料的應用,確保了航天器上各儀器設備在晝夜溫差高達300℃的環境中依然能夠正常運轉。

多層隔熱材料

除了熱控涂層,另外一種熱控材料是多層隔熱材料。

當探測器飛行到月球附近的時候,它相對月球的運行速度大于月球的逃逸速度(2.38千米/秒),如果不減速,這個探測器就會飛離月球。而要實現繞月飛行,就必須對它進行制動,也就是要剎車,將飛行速度降到小于月球逃逸速度,從而被月球吸引力捕獲。

探測器在下降的過程中,月面著陸是在真空狀態下的軟著陸,沒有大氣,也就意味著不能利用空氣摩擦實現減速,因此需要用反推力來實現減速降落。

7500牛的變推力發動機就是這個關鍵的剎車裝置。當它工作的時候,最高溫度可達1400℃,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。

解決方案就是在發動機的外圍穿一條“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,穿上它后發動機和周圍的電子元器件之間就形成了一道熱屏障。哪怕“裙內”燃燒室和噴管的溫度超過了1000℃,“裙外”的溫度也不會超過100℃,確保了“嫦娥四號”探測器的正常工作。

這種神奇的隔熱材料是由低發射率的反射屏和低導熱率的隔熱層交替疊合而成的,在真空條件下它的熱傳導率極低,表現出極好的隔熱性能。在日常生活中,這種技術也得到了很好的應用,一些戶外運動品牌推出的熱能羽絨服就采用了類似的原理。

高摩擦抗冷焊涂層

航天器上一般都有一對大大的像翅膀一樣的部件,那是供電系統——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”顧名思義就是這個涂層具有很高的靜摩擦系數;“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后,相互接觸時發生不同程度的黏結現象。在微觀程度下,這種現象與材料表面原子的擴散是密切相關的,因此我們就在接觸支點材料的一面涂覆了一種具有高摩擦系數且不易發生冷焊的陶瓷涂層,有效地防止了冷焊現象的發生。

這種高摩擦性能可以確保太陽能帆板在經過發射、奔月、著陸以及兩極分離等加速、減速環節后仍然穩定可靠。

而抗冷焊性則表現在經歷長達14天-180℃的極寒月夜時,“玉兔”的側太陽帆板能收攏起來,像棉被一樣蓋在“玉兔”的身上,幫助它在寒夜里減少散熱,而在月夜過后,經過長時間壓緊、收攏狀態的太陽帆板依然能夠伸張自如,不會被“凍僵”。這個涂層為太陽能帆板的可靠接觸和頻繁啟閉發揮了重要作用。

高溫抗氧化涂層

網上有人問:“宇宙空間是一個真空的環境,為什么航天器上還要用高溫抗氧化涂層呢?”其實這些抗氧化涂層是用于“嫦娥四號”上十幾個推力不同、方向各異的姿態發動機上的。

月球與地球相距38萬千米,“嫦娥奔月”過程中要經過多次變軌才能實現著陸,每次變軌都是通過這些姿態發動機點火產生反推力來調整和控制姿態。它們就像航天器的方向盤,差之毫厘,謬以千里。

為了使“嫦娥”準確著陸,必須確保發動機具有100%的工作可靠性。航天器用軌道和姿態控制發動機采用的是雙阻元液體推進劑,也就是四氧化二氮和肼類燃料,它在點火時會形成高溫氧化環境。目前我們的發動機推力室是由難熔高溫合金材料制成的,但它的高溫抗氧化性能很差,很容易發生災難性的PEST粉化氧化(即在某一特定溫度范圍內,結構快速發生災難性破壞,同時伴隨加速內氧化過程的現象)。如果沒有高溫抗氧化涂層的保護,在高溫氧化的環境中,推力室在很短的時間內就會被燒穿。

給推力室部件表面涂覆上微米級的硅化物體系高溫抗氧化涂層后,在高達1300℃的有氧環境中,硅化物首先會被氧化,進而在涂層的表面形成一層連續致密的玻璃態氧化硅,有效地隔絕進一步氧化。另一方面,由于這個氧化硅在高溫下具有一定的流動性,還能自動彌補涂層氧化過程中產生的裂紋、孔洞等缺陷,就像我們人體的血小板一樣具有止血自愈的功能。

為了更遙遠的征途

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展。

熱控涂層不僅要經受住溫度劇烈變化的考驗,還要能扛住長期的太陽紫外線輻照、高能宇宙射線、微流星撞擊等惡劣環境。為了在較長的時間內保持性能穩定,熱控涂層的使用壽命就必須達到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。目前我們已經在世界上最輕的合金——鎂鋰合金上研制出了一種新的熱控涂層,并且得到了成功的應用。

多功能化是指在具有熱控作用的同時還具有其他的功能。為了應對不同的工作環境,未來的航天器上還需要具有防靜電功能的熱控涂層,防止月球上灰塵污染的自清潔熱控涂層,可以吸附分子級污染物的熱控涂層等。

前面所說的各種涂層的吸輻比是固定的,可以看作一個被動作用,所以在航天器的不同部位,我們必須選用不同的材料。而智能熱控涂層是基于材料的熱致相變特征研制的,涂層的發射率可以隨著航天器表面溫度的變化而變化,實時自動對周圍的環境進行響應,就像變色龍一樣。這種涂層特別適用于對功能和質量要求非常苛刻的微納衛星。

目前我們實驗室開發了兩類智能熱控涂層:一類是具有鈣鈦礦結構的錳氧化物,它是一種缺陷型化合物,隨著溫度的變化材料的晶格結構會發生轉變,在轉變的過程中呈現出金屬性和絕緣性。

另一類是基于氧化釩薄膜來制備的,它在特定的溫度下會發生金屬——半導體相變,就像平時自動運轉的百葉窗一樣,在室內溫度較高時能夠遮住光線,當室內溫度較低時就能透出光線來。

這兩類涂層已經在實驗衛星上成功搭載,并得到了廣泛應用。

了解月球這顆離地球最近的星球只是第一步,隨著各種深空探測技術的發展和成熟,人類在地球與月球之間往返,建立永久性月球基地,長期開發月球資源將不再是科幻小說里的想象。在未來的某一天,我們還可能在月球建成中轉站、航天港,用于火星探測和更遠的太空任務。

航天是人類的至高夢想,也是前沿科學研究中最復雜、最艱難的部分,需要長期的投入和關注,唯有掌控天地冷暖,才能縱橫無限宇宙。

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