氣凝膠隔熱材料在空間探測(cè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

氣凝膠材料最早在1931年由美國(guó)科學(xué)家SSKISTLER首次使用硅酸鈉酸性溶液合成，之后隨著有機(jī)硅烷溶膠-凝膠技術(shù)及超臨界CO2干燥技術(shù)的完善，氣凝膠制備水平不斷提升，高品質(zhì)氣凝膠相繼被開(kāi)發(fā)。

氣凝膠及其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)末，美國(guó)首次將氣凝膠應(yīng)用在火星探測(cè)項(xiàng)目中，氣凝膠在航天器中應(yīng)用研究愈發(fā)重要。隨著國(guó)內(nèi)空間探測(cè)任務(wù)發(fā)展，對(duì)于環(huán)境隔熱要求越來(lái)越嚴(yán)苛，氣凝膠材料已在多個(gè)型號(hào)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)工程應(yīng)用。

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氣凝膠材料在火星探測(cè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用如下：

1.火星探測(cè)隔熱保溫

1.1在火星低溫環(huán)境的應(yīng)用

火星表面存在平均壓力約600Pa的大氣環(huán)境，最低溫度約-123 ℃。為了保證火星車艙內(nèi)電子設(shè)備在正常溫度范圍內(nèi)工作，迫切需要一種被動(dòng)、高效的隔熱措施?；鹦巧蠚怏w傳熱和對(duì)流換熱方式直接影響著火星車隔熱保溫材料的選擇。空間探測(cè)中常用的傳統(tǒng)多層隔熱組件基于真空環(huán)境抑制輻射換熱性能，真空環(huán)境中理論熱導(dǎo)率可達(dá)0. 85×10-5W/（m·K），然而在有氣體條件下，多層隔熱組件的熱導(dǎo)率衰減至0. 038 W/（m·K）。氣凝膠極佳的抗氣體對(duì)流性能成為火星車優(yōu)選絕熱方式。

1997年，氣凝膠首次應(yīng)用于火星探測(cè)中。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）探路者（Pathfiner）火星探測(cè)器釋放的索杰納（Sojourner）火星車，采用了環(huán)氧玻璃鋼平板桁架結(jié)合的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部25~32 mm的厚度充滿了密度為20kg/m3的SiO2氣凝膠材料，在火星大氣環(huán)境下（1kPa，CO2，24℃）隔熱裝置熱導(dǎo)率約為0. 0163W/（m·K）。由于氣凝膠紅外透明性較好，需要增加反射層來(lái)減少輻射熱傳導(dǎo)，所以采用夾層結(jié)構(gòu)，利用5μm厚的鍍金聚酰亞胺膜起到反射作用，增加系統(tǒng)抗輻射性能。結(jié)果表明，Pathfiner的氣凝膠材料在火星表面CO2低氣壓環(huán)境下提供了理想的保溫隔熱效果，為系統(tǒng)節(jié)省了約為5kg質(zhì)量。該應(yīng)用實(shí)例也說(shuō)明，雖然氣凝膠脆性較大，但是固定得當(dāng)，氣凝膠結(jié)構(gòu)也可以承受發(fā)射和著陸過(guò)程中巨大的沖擊。

Pathfiner隔熱裝置中的氣凝膠

1.2在火星高溫環(huán)境下應(yīng)用

火星車進(jìn)入火星大氣時(shí)，探測(cè)器會(huì)和大氣劇烈摩擦產(chǎn)生上千度高溫。針對(duì)著陸時(shí)熱防護(hù)，NASA開(kāi)展極音速充氣氣動(dòng)減速器（HIAD）研制工作。

其中，JADELCORSO等人開(kāi)始探索其主要環(huán)節(jié)——柔性熱防護(hù)系統(tǒng)（FTPS），F(xiàn)TPS一般分為三層，由外至內(nèi)分別為熱防護(hù)層、隔熱層、氣密層，其中的隔熱層主要采用氣凝膠，包括PI-POSS型聚酰亞胺氣凝膠，以及可耐1100 ℃高溫、纖維增強(qiáng)Pyrogel3350型SiO2氣凝膠等。國(guó)內(nèi)北京空間機(jī)電研究所曹旭等設(shè)計(jì)的FTPS，隔熱層采用耐高溫織物與氣凝膠多層鋪設(shè)結(jié)構(gòu)在熱沖擊試驗(yàn)中，耐熱效果顯著。

2.空間同位素電源保溫

基于深空探測(cè)的惡劣自然條件以及對(duì)電源更高穩(wěn)定性和耐久性要求，空間工作的供電系統(tǒng)性能決定著深空探測(cè)進(jìn)程的發(fā)展?？臻g電源技術(shù)發(fā)展至今應(yīng)用最為成熟的是同位素溫差電池（RTG）。在過(guò)去40年中，NASA有關(guān)地球軌道、月球、火星等太空船車載電力項(xiàng)目基本采用RTG。在空間工作過(guò)程中，RTG通過(guò)放射性同位素衰變產(chǎn)生熱能，同時(shí)利用余熱為熱控系統(tǒng)提供熱能，以在極低溫度條件下保護(hù)探測(cè)器。如何減少熱量散失損耗，以提高熱電轉(zhuǎn)換效率是其中RTG技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。目前技術(shù)在真空條件中絕熱效果最好的多層絕熱（MLI）形式，其由反射膜和滌綸網(wǎng)組成的多層結(jié)構(gòu)，不具有組裝性能，易引起系統(tǒng)漏熱。耐高溫氣凝膠材料真空、室溫?zé)釋?dǎo)率可低至0. 001W/（m·K），且具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠通過(guò)機(jī)械加工出溝、槽等結(jié)構(gòu)，從而組裝形成異型結(jié)構(gòu)，搭建完整的隔熱裝置。相比較于多層結(jié)構(gòu)，氣凝膠材料更能有效地避免系統(tǒng)漏熱。因此RTG的隔熱主要采用氣凝膠材料。

RTG中的熱源氣凝膠保溫復(fù)合板

3.低溫儲(chǔ)箱保溫

低溫液體在空間中用途廣泛，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于低溫液體儲(chǔ)存條件的要求越來(lái)越高，具有低密度、低導(dǎo)熱等特性氣凝膠在低溫液體儲(chǔ)存方面可以 做到更長(zhǎng)壽命、更低損 耗。NASA將阿斯彭（Aspen）技術(shù)成熟的低溫氣凝膠氈和MLI聯(lián)合制成隔熱組件，這種低密度氣凝膠復(fù)合材料與MLI組裝有望成為一種滿足隔熱及相關(guān)空間性能需求的隔熱構(gòu)件，它可以克服 MLI 目前面臨的問(wèn)題：（1）組裝過(guò)程中容易破損；（2）價(jià)格高；（3）時(shí)間長(zhǎng)性能退化。氣凝膠/MLI 組合結(jié)構(gòu)可以提供一種可靠、性能優(yōu)異的方案。

NASA肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center）及其低溫測(cè)試實(shí)驗(yàn)室（Cryogenics Test Laboratory，CTL）研究了氣凝膠/MLI組合結(jié)構(gòu)，并與MLI結(jié)構(gòu)（0.3048 m厚，90層）在低溫，不同真空度條件下進(jìn)行對(duì)比考察。

3種氣凝膠/MLI結(jié)構(gòu)方案的熱導(dǎo)率變化曲線

結(jié)果表明低密度氣凝膠/MLI組合結(jié)構(gòu)對(duì)隔熱性 能相對(duì)純氣凝膠氈有更明顯提升。在高真空條件下隔熱性能比 MLI 更優(yōu)。另外，低密度氣凝膠/MLI 組合結(jié)構(gòu)由于氣凝膠存在，可以對(duì)易損壞的MLI有一 定力學(xué)支撐作用。

4.星際宇航服保溫

在火星大氣環(huán)境下，傳統(tǒng)多層材料隔熱效果降低。而氣凝膠材料新型宇航服可適應(yīng)真空或低壓大氣， 還具備傳統(tǒng)壓力服性能，因此氣凝膠材料是理想選 擇。約翰遜航天中心（JSC）著力于氣凝膠和MLI隔熱材料研究和應(yīng)用，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，在高真空環(huán)境下MLI比氣凝膠的熱導(dǎo)率更低，但二者都能滿足目 標(biāo)熱導(dǎo)率 0. 005 W/（m·K），而在低真空環(huán)境下氣凝膠比MLI熱導(dǎo)率更低。

來(lái)源：[1]孟昊軒,常曉晶,艾素芬,邱家穩(wěn),劉佳.氣凝膠隔熱材料在空間探測(cè)領(lǐng)域研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].宇航材料工藝,2023,53(01):13-20.

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