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中科院上海硅酸盐研究所高级工程师孟佳在“造就Talk”演讲活动中 ， 介绍了嫦娥系列卫星在飞天过程中的全方位“护甲” 。 以下为演讲主要内容 。
『一套全方位“护甲”』
在每个航天器上都有一套经过精密计算、设计的热控制系统 ， 它包含热控涂层、热防护材料以及热管等 。 不管外部的环境变化多么剧烈 ， 这套系统都能使航天器内部维持在一定的温度范围 ， 保证舱内仪器设备正常工作 。
为什么要有这套系统？因为地球有大气层 ， 它就像一个保护罩一样把地球保护起来 ， 而航天器一旦冲出大气层 ， 就像一个赤身裸体的新生婴儿 ， 会受到紫外线、高能粒子、原子氧等极端环境的侵蚀 ， 其中温度变化带来的影响是最为显著的 。
宇宙空间是一个极高真空环境 ， 航天器与外部环境的热交换只有热辐射一种方式 ， 没有热传导 ， 也没有热对流 。 当太阳直接照到航天器表面 ， 如果没有加防护层 ， 温度会很快升到100摄氏度以上 ， 而在太阳照射不到的区域 ， 温度又会降到零下100摄氏度以下 。 因此 ， 我们必须给航天器穿戴上一套全方位的“保护盔甲” 。
『量身定制的热控涂层』
人造卫星表面涂覆着一种具有特殊功能的涂层材料 ， 叫做热控涂层 。 它专门用来调控固体表面的热辐射性质 ， 从而达到热控制的目的 。
热控涂层之于航天器 ， 就如同衣服之于人类 。 而且 ， 它还是“量身定制”的 ， 因为在航天器不同的部位 ， 我们要选择不同吸收辐射比的热控涂层 。
嫦娥探测器和玉兔巡视器所使用的热控涂层多达20余种 ， 研制工艺和吸收辐射比各不相同 ， 这些材料的应用确保了航天器各仪器设备在昼夜温差高达300摄氏度的环境中依然正常运转 。
『给发动机穿“裙子”』
除了热控涂层 ， 另外一种热控材料是多层隔热材料 。
当探测器飞到月球附近的时候 ， 要实现绕月飞行 ， 就必须对它进行“刹车” ， 从而被月球吸引力捕获 。 同时在下降的过程中 ， 月面着陆是在真空状态下进行的 ， 不能利用空气摩擦实现减速 ， 而需要用反推力来实现减速降落 。 7500牛的变推力发动机就是这个关键的刹车装置 。 当该发动机工作的时候 ， 最高温度可以达到1400多摄氏度 ， 而它周围的仪器设备的工作温度却需要维持在几十摄氏度 。 因此 ， 我们必须将这两者在温度上隔离开 。
解决方案就是在发动机的外围给它穿一条“裙子” ， 也就是高温多层隔热材料 。 这条“裙子”的厚度只有1厘米 ， 由20多层特殊材料组成 ， 穿上它 ， 就在发动机和周围的电子元器件之间形成了一道热屏障 。 哪怕“裙内”燃烧室和喷管的温度超过1000摄氏度 ， “裙外”的温度也不会超过100摄氏度 ， 从而确保了探测器的正常工作 。
『确保发动机100%的可靠性』
宇宙空间是真空环境 ， 为什么航天器需要用抗氧化涂层呢？这些抗氧化涂层都是用于嫦娥卫星上推力不同、方向各异的姿态控制发动机上的 。 别看它们个头不大 ， 作用可是不小 。 月球距离地球达38万公里 ， 在“嫦娥奔月”的过程中 ， 需要经过多次变轨才能实现着陆 。 而每次变轨和最终着陆 ， 都需要通过这些姿态控制发动机点火产生反推力来调整和控制卫星的姿态 ， 它们就像是航天器的方向盘 。 为了能使嫦娥卫星准确着陆 ， 必须确保发动机具有100%的工作可靠性 。
给发动机部件表面涂覆上微米级硅化物体系的高温抗氧化涂层 ， 在发动机点火时的高温有氧环境下 ， 硅化物氧化会生成一层连续的、致密的玻璃态氧化硅 ， 有效地减缓氧化；另一方面 ， 生成的氧化硅在高温下可以流动 ， 自动弥补涂层氧化过程中产生的裂纹、孔洞等缺陷 ， 就像是人体血小板的“止血自愈”能力 。
『有效防止冷焊现象』
航天器上一般都有一对大大的像翅膀一样的部件 ， 那是它的供电系统——太阳能电池阵列帆板 。 在这个帆板的接触支点上还有一种特殊的功能涂层 ， 叫做高摩擦抗冷焊涂层 。
“高摩擦”顾名思义就是指这个涂层具有很高的静摩擦系数 。 “冷焊”是指在高真空条件下 ， 金属固体表面失去所吸附的气体 ， 相互接触时会发生不同程度的黏结现象 。 因此 ， 我们要在接触支点上涂覆一种具有高摩擦系数且不易发生冷焊的陶瓷涂层 ， 有效防止冷焊现象的发生 。
这种高摩擦性能确保了太阳能帆板在经过发射、奔月、着陆以及两器分离等加速、减速环节后连接仍然稳定可靠 。 抗冷焊性则对太阳能帆板的可靠接触和频繁启闭发挥了重要作用 。
【月球|从地球飞到月球，嫦娥卫星穿了一身怎样的 “护甲”】『变色龙般的未来涂层』
随着火星探测、太空探索的深入 ， 为了适应漫长的太空旅行 ， 完成更复杂的航天任务 ， 未来热控涂层材料将会向着长寿命、轻量化、多功能化以及智能化方向发展 。
为了在较长的时间内保持性能稳定 ， 热控涂层的使用寿命将达到10年、20年甚至更长 。
轻量化则是为了增加航天器的有效载荷 ， 在总重量不变的情况下 ， 航天器要进行瘦身减重 ， 这样才能带更多的东西上天 。 目前我们已经在世界上最轻的合金——镁锂合金上成功研制出了一种新的热控涂层 ， 并且得到了成功的应用 。
多功能化是指为了应对不同的工作环境 ， 航天器的热控涂层同时还具有防静电、自清洁等其他功能 。
前面所说的各种涂层的吸收辐射比是固定的 ， 所以在航天器的不同部位必须选用不同的材料；而智能热控涂层可以随着航天器表面的温度不同而变化 ， 实时自动对周围的环境进行响应 ， 就像变色龙一样 。
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