超輕航天材料

宋盛菊

你知道嗎？航天材料除了可靠性外，有一個重要的要求就是輕。航天器的重量每減少1千克，就能使發(fā)射它的運載火箭的重量減少500千克。

錢學(xué)森曾說：“航天器每一個零件減少1克重量都是貢獻，協(xié)調(diào)重量是總設(shè)計師的重要任務(wù)?！睆淖钤绲臍饽z到“飛行石墨”，到“碳海綿”，再到纖維氣凝膠，超輕航天材料——氣凝膠一次一次地刷新著“最輕材料”的紀(jì)錄。

現(xiàn)在，氣凝膠已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天的多個領(lǐng)域，最近要登陸火星的火星車上也少不了它的身影。接下來就讓我們一起來認(rèn)識一下氣凝膠吧！

輕如鴻毛又本領(lǐng)高強

氣凝膠，又稱為氣溶膠或干凝膠，是一種由細(xì)小粒子聚集而成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的具有固態(tài)特征的膠態(tài)體系。當(dāng)凝膠脫去大部分溶劑，凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中充滿的介質(zhì)為氣體，外表呈固體狀時，即為氣凝膠。氣凝膠的種類很多，有硅系、碳系、硫系、金屬氧化物系、金屬系等等。

氣凝膠的結(jié)構(gòu)特點使得其非常輕，成為目前世界上密度最小的幾種固體之一。因為半透明的色彩和超輕重量，氣凝膠有時也被稱為“固態(tài)煙”或“凍住的煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，它可以承受相當(dāng)于自身質(zhì)量幾千倍的壓力，且最高能承受1400攝氏度的高溫。

氣凝膠表面的微細(xì)孔極多，對于氣體和液體中，特別是液體中的污染物，包括重金屬具有極強的吸附性能，因此被稱為“超級海綿”，是一種新型的環(huán)保材料。

氣凝膠還是很好的吸音材料，比如我國2015年研制的纖維氣凝膠，可以在100～6300赫茲寬頻段內(nèi)高效吸音。此外，氣凝膠的導(dǎo)熱性和折射率也很低，絕緣能力比最好的玻璃纖維還要強39倍。

在航天航空領(lǐng)域大展拳腳

航天方面，氣凝膠的應(yīng)用十分廣泛。由于其突出的隔熱性能，美國宇航局在航天服的飛行隔熱內(nèi)里中使用了氣凝膠，夾層厚度約為18毫米，能夠幫助航天員忍受-130℃～1400℃的超低溫和超高溫。該種航天服經(jīng)過了多次天地往返的考驗。

另外，“神舟七號”航天員出艙時穿的艙外航天服就使用了這種材料。氣凝膠還被廣泛用于各種航天器的電路部分的隔熱保護中。俄羅斯“和平號”空間站用它來進行熱絕緣;在美國的“探路者”和“漫步者”火星車中，氣凝膠用于幫助火星車中關(guān)鍵的電器元件和線路承受-100℃的低溫。

在“長征五號”運載火箭上，我國自主研制的高性能納米氣凝膠隔熱氈，就為火箭燃?xì)夤苈废到y(tǒng)提供了隔熱保溫功能。我國用于執(zhí)行首次火星探測任務(wù)的火星車上，采用的最新型的熱控保溫材料，也是新型納米氣凝膠。

作為“超級海綿”，氣凝膠還被用來收集彗星塵埃和星際塵埃。2006年，“星塵號”探測器帶著人類獲得的第一批彗星塵樣品返回地球，這些彗星塵就是通過“星塵號”上的氣凝膠樣品采集器收集的。該采集器采集面積超過1000平方厘米，可收集各種類型的粒子。

此外，美國還通過氣凝膠填塞的回收手套來收集彗星塵。由于具有較高的強度，新型氣凝膠還可以防彈，或者說防撞擊。在金屬片上加一層厚約6毫米的氣凝膠，就算炸藥直接炸中，金屬片也分毫無傷。另外，科學(xué)家們最近在研究如何利用氣凝膠改造火星，使得其部分地區(qū)可以住人，以幫助未來在火星上建造人類棲息地。

最后，再說說氣凝膠材料在航空方面的應(yīng)用。其實，氣凝膠材料在美、英兩國的飛機中均有應(yīng)用，目前主要用于飛機有乘員的艙室艙壁和重要儀器的隔熱防護。如美國“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機艙壁隔熱系統(tǒng)和紅外系統(tǒng)的防護均使用了氣凝膠;英國“美洲豹”戰(zhàn)斗機改型的駕駛艙機艙隔熱壁中也使用了氣凝膠材料。