天問一號上的黑科技
2020年7月23日,我國首顆行星探測器“天問一號”在海南文昌火箭發(fā)射場發(fā)射成功。中國行星探測任務(wù)被命名為“天問系列”,是源于中國偉大詩人屈原的長詩,“日月安屬?列星安陳?”這是中國幾千年的傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代科技的完美結(jié)合。
天問一號火星探測器使用了我國獨立自主研發(fā)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(yīng)對“極熱”和“極寒”兩種嚴(yán)酷環(huán)境。納米氣凝膠是由納米尺度的固體骨架構(gòu)成的一個三維立體網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間包含著豐富的納米孔隙,孔隙率可以高達(dá)99.8%(圖甲展示了一種氣凝膠的微觀圖景)。它纖細(xì)的骨架讓熱量傳導(dǎo)變得非常困難,而大量的納米孔隙就像一個個單獨的房間,把單個的氣體分子關(guān)起來,讓氣體分子既不能流動也不能彼此接觸 ,從而把熱“封鎖在孔隙中”,既不對流傳熱,也不散發(fā)失熱。“極熱”考驗出現(xiàn)在火星著陸階段,著陸發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量使周圍的溫度超過1000℃,納米氣凝膠僅僅10mm左右厚度的材料就能夠在整個著陸過程讓它身后的溫度處于可接受的范圍,就像消防員身上穿的防火服?!皹O寒”考驗出現(xiàn)在火星巡視階段,火星車的表面鋪設(shè)了大面積的氣凝膠板,能夠確保火星車在-130℃的環(huán)境正常工作,就像登山運動員身上穿的防寒服。
納米氣凝膠正是由于它的孔隙結(jié)構(gòu),使其密度只有1.5×10-2g/cm3 , 同等體積下,質(zhì)量只有鋼的 ,鋁的 ,水的 。其超輕性能方面的優(yōu)勢,圖乙展示可見,將一塊氣凝膠放置在新鮮花瓣上,花瓣未被壓彎。這就確保了將氣凝膠應(yīng)用于火星車上時,幾乎不會增加它的質(zhì)量。
選擇納米氣凝膠這種材料,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(yōu)勢,二是它能夠通過微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控,實現(xiàn)性能的差異化,把某一方面的性能優(yōu)勢進(jìn)一步發(fā)揮到極致。
“探索浩瀚宇宙,發(fā)展航天事業(yè),建設(shè)航天強(qiáng)國,是中國不懈追求的航天夢?!敝袊_展并持續(xù)推進(jìn)深空探測,對保障國家安全、促進(jìn)科技進(jìn)步、提升國家軟實力以及提升國際影響力具有重要的意義。
物質(zhì) |
熔點 |
密度g/cm3 |
鋼 |
1515 |
7.9 |
鋁 |
660 |
2.7 |
水 |
1.0 |
|
空氣 |
1.29×10-3 |
根據(jù)上述材料,回答下列問題。