氣凝膠的空天應(yīng)用

隔熱是氣凝膠材料最突出的功能特性和最廣泛的應(yīng)用場景需求，與一般隔熱材料相比，氣凝膠材料普遍適用于航空、臨近空間、航天、深空等多空域下飛行器的隔熱。首先，氣凝膠是目前熱導(dǎo)率最低的固體材料，常溫常壓下熱導(dǎo)率可低至0.01 W/m·K-1，真空環(huán)境下為0.004 W/m·K-1，甚至更低；其次，氣凝膠材料不僅適用于月球、近地軌道、臨近空間平流層等高真空環(huán)境下隔熱，也適用于火星、土星、臨近空間中間層等低真空環(huán)境下隔熱，而常規(guī)的多層隔熱材料在后者環(huán)境中的隔熱將失效；此外，氣凝膠材料的耐溫范圍非常寬（40~2100 K），能滿足探測器和飛行器在不同復(fù)雜空域環(huán)境中對超高溫、超低溫、高交變溫度以及寬溫域隔熱的需求；最后，氣凝膠材料的低密度特性，使得其為新一代導(dǎo)彈武器、未來深空/超深空探測以及高載荷載人探測任務(wù)中飛行器提供了最佳的輕量化防隔熱材料方案。

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耐不同溫度氣凝膠材料的隔熱應(yīng)用示意圖

美國NASA率先將氣凝膠作為高效隔熱材料用在一系列火星探測器的多個部位上。1996年，美國索加伊納號火星車上，利用低密度二氧化硅氣凝膠作為電子恒溫箱的隔熱保溫材料，保護(hù)火星車搭載的α粒子X射線光譜儀免受火星夜晚極度寒冷環(huán)境（-120℃）的損害。2003年，在美國機(jī)遇號和勇氣號火星車上，對上述透明的二氧化硅氣凝膠摻雜了0.4%的石墨降低熱輻射，進(jìn)一步提高了隔熱性能。2011年NASA發(fā)射的好奇號火星車由于運(yùn)行所需電量大幅提升，因此采用的是放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（俗稱核電池）代替太陽能提供足夠的電能，其熱交換器的熱端溫度最高可達(dá)1000 ℃，常規(guī)隔熱材料會失效，利用摻雜石墨的二氧化硅氣凝膠材料作為熱交換器熱邊和冷邊的高效隔離熱障，極大地提高了核電池?zé)崮苁褂眯屎凸┠芊€(wěn)定性。以上基于氣凝膠的熱電隔熱技術(shù)，在2020年發(fā)射的毅力號火星車核電池上也得到了應(yīng)用。

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氣凝膠隔熱材料在美國火星探測任務(wù)中的應(yīng)用

為應(yīng)對不久的將來以火星載人登陸為代表的深空探測任務(wù)中對隔熱的新需求，美國NASA也嘗試?yán)脷饽z提出解決方案。載人火星探測器在EDL階段需要快速完成高速氣動減速以便安全著陸，減速器的充氣展開柔性結(jié)構(gòu)外表面需要采用柔性熱防護(hù)系統(tǒng)保護(hù)。他們利用最高可耐受1100 ℃的纖維復(fù)合二氧化硅氣凝膠和分解溫度大于560 ℃的低聚倍半硅氧烷交聯(lián)型聚酰亞胺氣凝膠組成的柔性隔熱材料組合，使得飛行器在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中經(jīng)受住了再入速度高達(dá)3 km/s、最高熱流密度接近20 W/cm2、最高熱流持續(xù)時間長達(dá)90 s、最高駐點(diǎn)溫度1260 ℃的極端氣動加熱環(huán)境考核。此外，為了宇航員能在火星上安全執(zhí)行出艙活動，所使用的航天服在火星空間環(huán)境下，要具備優(yōu)異的熱防護(hù)效果，在NASA約翰遜航天中心支持下，Aspen公司研制出纖維增強(qiáng)的二氧化硅氣凝膠柔性復(fù)合纖維材料，其在火星低真空環(huán)境下熱導(dǎo)率為0.005 W/m·K-1，僅僅是多層隔熱結(jié)構(gòu)的五分之一，這種高效隔熱的氣凝膠材料有望用于未來航天服的柔性熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。

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除了將氣凝膠用于深空探測器的隔熱，NASA還將氣凝膠用于航天飛機(jī)和運(yùn)載火箭上多個部位的隔熱。NASA肯尼迪太空中心將Cabot公司商品化的氣凝膠顆粒材料用在航天飛機(jī)、運(yùn)載火箭、空天飛行器的液氫低溫推進(jìn)劑儲罐，展示了氣凝膠在-147 ℃超低溫環(huán)境下優(yōu)異的保溫性能，不僅解決了由冷凝環(huán)境空氣造成的發(fā)射安全風(fēng)險(xiǎn)的問題，而且為航天飛機(jī)減重高達(dá)230 kg。NASA艾姆斯研究中心還將氣凝膠前驅(qū)體滲入到陶瓷纖維瓦的縫隙中，制備出氣凝膠隔熱瓦復(fù)合剛性隔熱材料，將航天飛機(jī)所用的常規(guī)隔熱瓦的隔熱性能提高了1~2個數(shù)量級，這種新型隔熱材料可用于未來可重復(fù)使用航天器的燃料箱隔熱層中。

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作為我國最早進(jìn)行功能化氣凝膠研制和工程化應(yīng)用的主要單位之一，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所已研制出了包括中溫型、高溫型、高溫透波型和超高溫型在內(nèi)的系列牌號二氧化硅氣凝膠材料，這一系列高性能氣凝膠隔熱材料已用于我國數(shù)十型飛行器中。在空間隔熱領(lǐng)域，針對我國空天探測中飛行器和探測器對輕量化、耐惡劣空間環(huán)境的防隔熱需求，航天特種材料及工藝技術(shù)研究所開發(fā)了系列輕質(zhì)高性能隔熱材料，承擔(dān)了我國空間探測工程的多項(xiàng)配套任務(wù)；針對貨運(yùn)飛船低溫軌道精確控溫需求，研制出纖維增強(qiáng)氣凝膠和氣凝膠真空隔熱板；針對運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)、隔離氣瓶和氧渦輪的高溫隔熱需求，研制出高性能納米氣凝膠隔熱復(fù)合材料；針對月球探測器某關(guān)鍵電子器件的長時隔熱需求，研制出長服役壽命的氣凝膠隔熱組件；針對火星探測著陸巡視器需適應(yīng)火星高低溫交變環(huán)境隔熱需求，研制出超低密度氣凝膠復(fù)合隔熱板。相關(guān)氣凝膠產(chǎn)品在歷次任務(wù)中質(zhì)量穩(wěn)定可靠，成功保障了載人航天、探月工程和探火工程等一系列國家重大空間任務(wù)取得圓滿成功，并將繼續(xù)在我國空間站建設(shè)、未來深空探測任務(wù)中做出更大貢獻(xiàn)。

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氣凝膠隔熱材料在我國空天探測任務(wù)中的應(yīng)用

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2?粒子捕獲應(yīng)用

隔熱系統(tǒng)是氣凝膠在飛行器中最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，對空間粒子捕獲是氣凝膠在探測器中的另外一個廣為人知的應(yīng)用。宇宙塵埃為太陽系、行星的形成和演化甚至生命的起源研究提供了最原始樣本，將這些粒子無損捕獲并取樣返回進(jìn)行分析具有重大的天文價(jià)值。高速運(yùn)動的宇宙塵埃（5~80 km/s）與常規(guī)材料發(fā)生硬碰撞后會灰飛煙滅，而低密度透明氣凝膠材料一方面由于其低密度多孔特性有利于高速粒子軟著陸而實(shí)現(xiàn)完整捕獲，另一方面由于其透明特性有助于被捕獲粒子的定位和移取以便用于研究分析，已被證實(shí)是宇宙塵埃捕獲的最佳介質(zhì)材料，氣凝膠的低密度和透明兩個特性在此領(lǐng)域的應(yīng)用缺一不可。

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氣凝膠材料制成的捕獲器在20世紀(jì)80年代歷經(jīng)多次STS航天飛機(jī)搭載實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，美國NASA于1995年在和平號空間站上搭載密度為0.02 g/cm3的透明氣凝膠，在近地軌道上捕獲高速運(yùn)動的軌道碎片粒子。此后，NASA于1999年啟動了著名的星塵計(jì)劃，利用0.005~0.05 g/cm3的梯度密度透明氣凝膠捕獲到大量彗星及行星塵埃，基于對塵埃樣品的分析，取得了大量顛覆性天文新認(rèn)識，為此國際權(quán)威雜志《科學(xué)》出版了專輯進(jìn)行報(bào)道。2011年至今，在NASA的支持下，加州理工學(xué)院的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開始研究利用低密度氧化鋁、酚醛、聚酰亞胺等非硅系透明氣凝膠去捕獲火星或者其它行星塵埃樣品。美國2019年初啟動了火星勘測樣本收集計(jì)劃，白宮批準(zhǔn)該計(jì)劃2020年度經(jīng)費(fèi)預(yù)算為1.09億美元。

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氣凝膠材料在美國星塵計(jì)劃中用于高速粒子捕獲

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除了美國，歐洲航天局也曾將密度為0.05 g/cm3的二氧化硅氣凝膠捕獲裝置部署在EuReCa可回收衛(wèi)星中，收集到了12顆來自微流星體的粒子。2001年，日本宇航開發(fā)機(jī)構(gòu)通過將密度為0.03 g/cm3的二氧化硅氣凝膠塊體組成的塵埃收集器，搭載在國際空間站上進(jìn)行微粒子捕獲試驗(yàn)。2015年，日本宇航開發(fā)機(jī)構(gòu)啟動了蒲公英計(jì)劃，基于所制備的內(nèi)層密度為 0.01 g/cm3、外層密度為0.03 g/cm3的雙層二氧化硅氣凝膠板塊來采集漂浮在宇宙空間中的塵埃顆粒，探尋外星球中是否有生命物質(zhì)。2013年，法國發(fā)展研究院和國家科學(xué)研究院利用密度為0.09 g/cm3的氣凝膠捕獲器搭載在國際空間站上收集太空粒子碎片，較大的密度使得捕獲器的力學(xué)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。雖然我國目前還未開展利用氣凝膠材料進(jìn)行宇宙塵埃捕獲的空間探測實(shí)驗(yàn)，但是隨著可搭載捕獲裝置的空間站平臺的建設(shè)，相關(guān)研究迎來了重大發(fā)展機(jī)遇。

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來源：華陽納谷新材料