從地球飛到月球，嫦娥到底穿了什么衣服？

培養第420位講者孟佳

中科院上海硅酸鹽研究所高級工程師

因為潮汐鎖定效應，月亮繞地球公轉和自轉的周期不異，都是27天7小時43分11.47秒，我們在地球上看到的月亮與幾億年前恐龍看到的月亮，依然是統一面。

遨游太空摸索宇宙奧秘是人類自古以來一向求之不得的愿望，我們鍥而不舍地想要擺脫地球的引力，去看看地球之外事實有什么。自1958年以來，中國在宇宙摸索的征程上顛末了60年的成長，先后樹立了三個里程碑：發射人造衛星、載人航天和月球探測。

跟著2019年1月3日嫦娥四號探測器初次在月球后背當作功登岸，人類終于有望逐漸揭開月球后背的奧秘。

全方位護甲

我所任職的中科院上海硅酸鹽研究所特種無機涂層重點嘗試室，本家兒要從事與航天器相關的各類熱控涂層、熱防護材料的研究開辟，從第一顆人造衛星“東方紅一號”到嫦娥四號探測器，見證了我國航天事業的成長。

在每個航天器上都有一套顛末緊密計較、設計而來的熱節制系統，它包含熱控涂層、熱防護材料以及熱管等。不管外部的前提轉變何等猛烈，都能使航天器內部維持在必然的溫度規模，包管艙內儀器設備正常工作。

為什么要有這套系統呢？

我們都知道地球有大氣層，它就像一個庇護罩一樣把我們的地球庇護起來，為地球供給空氣，而且可以讓地球的溫度轉變不變在一個可順應的規模內。

而航天器一旦沖出大氣層，掉去了它的庇護，就像一個裸體赤身的新生嬰兒，會受到紫外線、高能粒子、原子氧等極端情況的侵蝕，此中溫度轉變帶來的影響是最為顯著的。

因為宇宙空間是個極高真空情況，航天器與外部情況的熱互換只有熱輻射一種體例，沒有熱傳導，也沒有熱對流。當太陽直接照到航天器概況，若是沒有加防護層，溫度會很快升到100攝氏度以上，而在太陽照射不到的區域，它的溫度又會降到零下100度以下。是以我們必需給航天器穿戴上一套全方位的庇護盔甲。

熱控涂層

這是東方紅一號人造衛星，最外層這件閃著金光的外套毫不是為了都雅，它是一種具有特別功能的涂層材料，叫做熱控涂層，也是我們給嫦娥打造的最主要的裝備之一。它是涂覆在材料概況，專門用來調控固體概況熱輻射性質，從而達到熱節制目標。

熱控涂層之于航天器就如同衣服對于人類。并且還屬于“高端私服、量身定制”。在航天器分歧的部位，我們還要選擇分歧吸輻比[太陽接收比和半球發射率的比值]的熱控涂層。

嫦娥四號探測器和玉兔巡視器所利用的熱控涂層多達20余種，研制工藝和吸輻比各不不異，這些材料的應用確保了航天器各儀器設備在日夜溫差高達300度的情況中依然正常運轉。

多層隔熱材料

除了熱控涂層，別的一種熱控材料是多層隔熱材料。

當探測器飛翔到月球四周的時辰，它相對月球的速度大于月球的逃逸速度（2.38公里/秒），若是不減速，這個探測器就會飛離月球。而要實現繞月飛翔，就必需對它進行制動。也就是要剎一下車，將飛翔速度降到月球逃逸速度以內，從而被月球吸引力捕捉。

而鄙人降的過程中，月面著陸是在真空狀況下的軟著陸，沒有大氣，也就意味著不克不及操縱空氣摩擦實現減速，是以需要用反推力來實現減速下降。

7500牛的變推力策動機就是這個關頭的剎車裝配。當它策動機工作的時辰，最高溫度可以高達1400多度，而它四周的儀器設備的工作溫度卻需要維持在幾十度擺布。是以，我們必需將這兩者在溫度上隔分開。

解決方案就是在策動機的外圍給它穿一條“裙子”，也就是高溫多層隔熱材料。

這條“裙子”的厚度只有1厘米，由20多層特別材料構成,穿上它就在策動機和四周的電子元器件之間形當作了一道熱樊籬。哪怕裙內燃燒室和噴管的溫度跨越了1000度，裙外的溫度也不會跨越100度，確保了嫦娥四號探測器的正常工作。

這種神奇的隔熱材料是由低發射率的反射屏和低導熱率的隔熱層瓜代疊合生當作的，在真空前提下它的熱傳導率極低，表示出極好的隔熱機能，在日常糊口中這種手藝也獲得了很好的應用。一些戶外活動品牌推出的熱能羽絨服就采用了近似的道理。

高摩擦抗冷焊涂層

航天器上一般都有一對大大的像同黨一樣的部件，那是它的供電系統——太陽能電池陣列帆板。在這個帆板的接觸支點上還有一種特別的功能涂層，叫做高摩擦抗冷焊涂層。

“高摩擦”顧名思義就是指這個涂層具有很高的靜摩擦系數；“冷焊”是在高真空前提下，金屬固體概況掉去所吸附的氣體，彼此接觸時發生分歧水平的黏結現象。在微不雅水平下這種現象與材料概況原子的擴散是緊密親密相關的，是以我們就在接觸支點材料的一面涂覆了一種具有高摩擦系數且不易發生冷焊的陶瓷涂層，有用地防止了冷焊現象的發生。

這種高摩擦機能能確保太陽能帆板在顛末發射、奔月、著陸以及南北極分手等加快、減速環節后毗連仍然不變靠得住。

而抗冷焊性則表示在履歷長達14天，零下180度的極寒月夜時，玉兔的側太陽帆板能收攏起來，像棉被一樣蓋在玉兔的身上，幫忙它在寒夜里削減散熱，而在月夜事后，顛末長時候壓緊、收攏狀況的太陽帆板依然可以或許蔓延自如，不會被“凍僵”。這個涂層為太陽能帆板的靠得住接觸和頻仍啟閉闡揚了主要感化。

高溫抗氧化涂層

網上有人在問：“宇宙空間是一個真空的情況，為什么航天器上還要用高溫抗氧化涂層呢？”其實這些抗氧化涂層是用于嫦娥四號上十幾個推力分歧、偏向各別的姿態策動機上的。

嫦娥四號上的姿控策動機及推力室噴管

圖上看到的這些喇叭狀的部件就是推力室噴管。別看它們個頭很小，可是它們感化卻很大。

月球與地球相距38萬公里，“嫦娥奔月”過程中要顛末多次變軌才能實現著陸，每次都是經由過程這些姿態策動機焚燒發生反推力來調整和節制姿態。它們就像航天器的偏向盤，差之毫厘，謬以千里。

為了使嫦娥精確著陸，必需確保策動機具有100%的工作靠得住性。航天器用軌道和姿態節制策動機采用的是雙阻元液體推進劑，也就是四氧化氮和肼類燃料，它在焚燒時會形當作高溫氧化情況，今朝我們策動機推力室是難熔高溫合金材料制當作的，但它的高溫抗氧化機能很差，很輕易發生災難性的PEST粉化氧化[即在某一特定溫度規模內布局快速發生災難性粉碎，同時陪伴加快內氧化過程的現象]。若是沒有高溫抗氧化涂層的庇護，在高溫氧化的情況中推力室在很短的時候內就會被燒穿。

給推力室部件概況涂覆上微米級的硅化物系統高溫抗氧化涂層后，在高達1300度的有氧情況下，硅化物起首會被氧化，進而在涂層的概況形當作一層持續致密的玻璃態氧化硅，有用地隔斷進一步氧化。另一方面，因為這個氧化硅在高溫下具有必然的流動性，還能主動填補涂層氧化過程中發生的裂紋、孔洞等缺陷，就像我們人體的血小板一樣具有止血自愈的功能。

為了更遙遠的征途

跟著火星探測、太空摸索的深切，為了順應漫長的太空觀光，完當作更復雜的航天使命，將來熱控涂層材料將會標的目的著長命命、輕量化、多功能化以及智能化偏向成長。

不僅要經受住溫度猛烈轉變的考驗，還要能扛住持久的太陽紫外輻照、高能宇宙射線、微流星撞擊等惡劣情況。為了在較長的時候內連結機能不變，熱控涂層的利用壽命就必需達到十年、二十年甚至要更長。

輕量化則是為了增添航天器的有用載荷。在總重量不變的環境下，航天器要進行瘦身減重，這樣才能帶更多的工具上天。今朝我們已經活著界上最輕的合金——鎂鋰合金上當作功地研制出了一種新的熱控涂層而且獲得了當作功的應用。

多功能化是指在具有熱控感化的同時還具有其他的功能。為了應對分歧的工作情況，將來的航天器上還需要具有防靜電功能的熱控涂層，防止月球上塵埃污染的自潔凈熱控涂層，可以吸附分子級污染物的熱控涂層等等。

前面所說的各類涂層的吸輻比是固定的，可以看作一個被動感化，所以在航天器的分歧的部位我們必需選用分歧的材料。而智能熱控涂層是基于材料的熱致相變特征研制的，涂層的發射率可以跟著航天器概況的溫度轉變而轉變，及時主動對四周的情況進行響應，就像變色龍一樣，這種涂層出格合用于對功能和質量要求很是苛刻的微納衛星。

今朝我們嘗試室開辟了兩類智能熱控涂層，一種是具有鈣鈦礦布局的錳氧化物，它是一種缺陷型化合物，跟著溫度的轉變，材料的晶格布局會發生改變，在改變的過程中呈現出金屬性和絕緣性。

另一類是基于氧化釩薄膜來制備的，它在特定的溫度下會發生一個金屬-半導體相變，就像我們日常平凡主動運轉的百葉窗一樣，在室內的溫度較高的時辰，它可以或許遮住光線；而當室內溫度低時就能透出光線來。這兩種涂層已經在嘗試衛星上當作功搭載，并獲得了普遍應用。