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Qing调查｜揭秘“天问一号”外衣有何神奇之处

4月19日，中国天问一号探测器已累计飞行268天，已成功完成火星环绕工作。计划于5月至6月择机实施火星着陆，开展巡视探测。
天问一号任务是我国独立开展行星际探测的第一步，将通过一次发射实现对火星的“绕、着、巡”，即火星环绕、火星着陆、火面巡视。这是世界航天史上还没有过的先例。
在天问一号火星探测器中，使用了我国独立自主研发的多项“黑科技”，这些“黑科技”到底有何神奇之处？在“天问一号”上如何运用？未来普通百姓生活中是否也能被应用到？带着这些好奇，北青-北京头条采访人员联系到了中国航天科工三院306所，探秘这一神奇材料的研发实验室。
Qing调查｜揭秘“天问一号”外衣有何神奇之处
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Q：气凝胶是什么？
A：世界上最轻的固体
气凝胶是一种具有纳米孔隙结构的轻质材料，被科学界誉为“改变世界的神奇材料”。它是由纳米尺度的固体骨架构成的一个三维立体网络，网络结构间包含着丰富的纳米孔隙，孔隙率可以高达99.8%。由于它的骨架结构是纳米尺度的，可见光可以从中间穿过，同时会发生瑞利散射，让最常见的二氧化硅气凝胶肉眼看上去像是被冻住的蓝色烟雾，这和天空呈现蓝色的原理是一样，所以它还有一个很好听的绰号，叫做“蓝烟”。
特殊的孔隙结构为气凝胶带来了独特的性能，它的密度极低，甚至比同体积的空气更轻，是世界上最轻的固体。来自中国航天科工三院306所的实验人员通过一个小实验展示了气凝胶“轻”的特性。把一块气凝胶放置在一个新鲜的花蕾上，因为气凝胶本身是非常轻的，因此不会对花蕾造成任何的影响。这里使用的是超低密度的气凝胶，自身的密度只有15mg/cm3，同等体积下，重量只有钢的1/500，铝的1/180，水的1/60。从而给火星车减负，让它“跑”的更快，“跑”的更远。
由于孔隙率极高且孔结构复杂，气凝胶孔内没有空气对流，使其同时具有极低的气相与固相热传导率。因此，具有轻质高效隔热性能的气凝胶材料在空间狭小、发射成本高昂的航空航天领域具有极高的应用价值。
气凝胶材料用于阻隔热量的时候，它纤细的骨架让热量传导变得非常困难，相当于让热量沿着羊肠小道在三维网络上走迷宫；而大量的纳米孔隙就像一个一个单独的房间，把单个的气体分子关起来，让气体分子既不能流动也不能彼此接触，能够把对流传热消于无形。
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Q：气凝胶有何神奇？
A：沉着应对冰与火的考验
气凝胶在天问一号上有哪些应用呢？天问一号一共应用了两种气凝胶材料，分别用来应对“极热”和“极寒”。
“极热”考验出现在火星着陆阶段，着陆发动机产生的热量使周围的温度达到1200℃，隔热组件能够阻隔高温，仅仅12mm的材料就能够在整个着陆过程让它身后的温度低于110℃。就像消防员身上穿的防火服。“极寒”考验出现在火星巡视阶段，科研人员在火星车的表面铺设了面积约1㎡的气凝胶板，能够确保火星车在-130℃的环境正常工作，就像登山运动员身上穿的防寒服。
在306所气凝胶的隔热性能展示中采访人员注意到，经过气凝胶的阻隔，上千度的火焰也无法伤害到置于气凝胶上的鲜花。而通过红外成像测试装置可见，加热器表面温度已接近400°C，通过其气凝胶的阻隔，热量无法传导至另一侧，才使得人手得以触摸。
北青-北京头条采访人员获悉，经过前期扎实的基础研究，306所技术团队已经掌握了气凝胶结构可控制备和工程应用的全套技术，先后发展了中温型、高温型等几个系列气凝胶产品，研究成果获得国家科技进步奖、中国专利金奖。
据介绍，气凝胶材料在航天领域已经获得了广泛的应用，涉及到的航天装备超过三十个型号，已经遍及低空、高空、临近空间和深空的各类飞行器。比如，气凝胶在长征五号、天舟一号早有应用。在长征五号系列火箭上主要应用于发动机高温燃气系统的隔热。在天舟一号任务中，把气凝胶做成真空隔热板安装在低温锁柜中，在飞船中搭建了超级冰箱。
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Q：气凝胶未来有何用处？
A：民用市场也占一席之地
北青-北京头条采访人员了解到，306所作为航天科工集团特种材料及工艺技术研究中心，早在2005年就通过对热防护材料技术体系的追踪和研判，敏锐地捕捉到气凝胶材料未来将在空天领域有巨大的应用前景，并果断开始自主投入，成为国内最早开展气凝胶材料研究的单位之一。

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