從地球飛到月球,嫦娥衛星“穿”了什么衣服

2021-02-20 11:42:46來源:解放日報

  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過精密計算、設計的熱控制系統,它包含熱控涂層、熱防護材料以及熱管等。不管外部的環境變化多么劇烈,這套系統都能使航天器內部維持在一定的溫度范圍,保證艙內儀器設備正常工作。
 
  為什么要有這套系統?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攝氏度以上,而在太陽照射不到的區域,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攝氏度的環境中依然正常運轉。
 
  給發動機穿“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下進行的,在下降的過程中,不能利用空氣摩擦實現減速,而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。當該發動機工作的時候,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——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。“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,相互接觸時會發生不同程度的黏結現象。因此,我們要在接觸支點上涂覆一種具有高摩擦系數且不易發生冷焊的陶瓷涂層,有效防止冷焊現象的發生。
 
  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展。
 
  為了在較長的時間內保持性能穩定,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境進行響應,就像變色龍一樣。

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