从地球飞到月球，嫦娥到底穿了什么衣服？

培养第420位讲者孟佳

中科院上海硅酸盐研究所高级工程师

因为潮汐锁定效应，月亮绕地球公转和自转的周期不异，都是27天7小时43分11.47秒，我们在地球上看到的月亮与几亿年前恐龙看到的月亮，依然是统一面。

遨游太空摸索宇宙奥秘是人类自古以来一向求之不得的愿望，我们锲而不舍地想要摆脱地球的引力，去看看地球之外事实有什么。自1958年以来，中国在宇宙摸索的征程上颠末了60年的成长，先后树立了三个里程碑：发射人造卫星、载人航天和月球探测。

跟着2019年1月3日嫦娥四号探测器初次在月球后背当作功登岸，人类终于有望逐渐揭开月球后背的奥秘。

全方位护甲

我所任职的中科院上海硅酸盐研究所特种无机涂层重点尝试室，本家儿要从事与航天器相关的各类热控涂层、热防护材料的研究开辟，从第一颗人造卫星“东方红一号”到嫦娥四号探测器，见证了我国航天事业的成长。

在每个航天器上都有一套颠末紧密计较、设计而来的热节制系统，它包含热控涂层、热防护材料以及热管等。不管外部的前提转变何等猛烈，都能使航天器内部维持在必然的温度规模，包管舱内仪器设备正常工作。

为什么要有这套系统呢？

我们都知道地球有大气层，它就像一个庇护罩一样把我们的地球庇护起来，为地球供给空气，而且可以让地球的温度转变不变在一个可顺应的规模内。

而航天器一旦冲出大气层，掉去了它的庇护，就像一个裸体赤身的新生婴儿，会受到紫外线、高能粒子、原子氧等极端情况的侵蚀，此中温度转变带来的影响是最为显著的。

因为宇宙空间是个极高真空情况，航天器与外部情况的热互换只有热辐射一种体例，没有热传导，也没有热对流。当太阳直接照到航天器概况，若是没有加防护层，温度会很快升到100摄氏度以上，而在太阳照射不到的区域，它的温度又会降到零下100度以下。是以我们必需给航天器穿戴上一套全方位的庇护盔甲。

热控涂层

这是东方红一号人造卫星，最外层这件闪着金光的外套毫不是为了都雅，它是一种具有特别功能的涂层材料，叫做热控涂层，也是我们给嫦娥打造的最主要的装备之一。它是涂覆在材料概况，专门用来调控固体概况热辐射性质，从而达到热节制目标。

热控涂层之于航天器就如同衣服对于人类。并且还属于“高端私服、量身定制”。在航天器分歧的部位，我们还要选择分歧吸辐比[太阳接收比和半球发射率的比值]的热控涂层。

嫦娥四号探测器和玉兔巡视器所利用的热控涂层多达20余种，研制工艺和吸辐比各不不异，这些材料的应用确保了航天器各仪器设备在日夜温差高达300度的情况中依然正常运转。

多层隔热材料

除了热控涂层，别的一种热控材料是多层隔热材料。

当探测器飞翔到月球四周的时辰，它相对月球的速度大于月球的逃逸速度（2.38公里/秒），若是不减速，这个探测器就会飞离月球。而要实现绕月飞翔，就必需对它进行制动。也就是要刹一下车，将飞翔速度降到月球逃逸速度以内，从而被月球吸引力捕捉。

而鄙人降的过程中，月面着陆是在真空状况下的软着陆，没有大气，也就意味着不克不及操纵空气摩擦实现减速，是以需要用反推力来实现减速下降。

7500牛的变推力策动机就是这个关头的刹车装配。当它策动机工作的时辰，最高温度可以高达1400多度，而它四周的仪器设备的工作温度却需要维持在几十度摆布。是以，我们必需将这两者在温度上隔分开。

解决方案就是在策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多层特别材料构成,穿上它就在策动机和四周的电子元器件之间形当作了一道热樊篱。哪怕裙内燃烧室和喷管的温度跨越了1000度，裙外的温度也不会跨越100度，确保了嫦娥四号探测器的正常工作。

这种神奇的隔热材料是由低发射率的反射屏和低导热率的隔热层瓜代叠合生当作的，在真空前提下它的热传导率极低，表示出极好的隔热机能，在日常糊口中这种手艺也获得了很好的应用。一些户外活动品牌推出的热能羽绒服就采用了近似的道理。

高摩擦抗冷焊涂层

航天器上一般都有一对大大的像同党一样的部件，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别的功能涂层，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”是在高真空前提下，金属固体概况掉去所吸附的气体，彼此接触时发生分歧水平的黏结现象。在微不雅水平下这种现象与材料概况原子的扩散是紧密亲密相关的，是以我们就在接触支点材料的一面涂覆了一种具有高摩擦系数且不易发生冷焊的陶瓷涂层，有用地防止了冷焊现象的发生。

这种高摩擦机能能确保太阳能帆板在颠末发射、奔月、着陆以及南北极分手等加快、减速环节后毗连仍然不变靠得住。

而抗冷焊性则表示在履历长达14天，零下180度的极寒月夜时，玉兔的侧太阳帆板能收拢起来，像棉被一样盖在玉兔的身上，帮忙它在寒夜里削减散热，而在月夜事后，颠末长时候压紧、收拢状况的太阳帆板依然可以或许蔓延自如，不会被“冻僵”。这个涂层为太阳能帆板的靠得住接触和频仍启闭阐扬了主要感化。

高温抗氧化涂层

网上有人在问：“宇宙空间是一个真空的情况，为什么航天器上还要用高温抗氧化涂层呢？”其实这些抗氧化涂层是用于嫦娥四号上十几个推力分歧、偏向各别的姿态策动机上的。

嫦娥四号上的姿控策动机及推力室喷管

图上看到的这些喇叭状的部件就是推力室喷管。别看它们个头很小，可是它们感化却很大。

月球与地球相距38万公里，“嫦娥奔月”过程中要颠末多次变轨才能实现着陆，每次都是经由过程这些姿态策动机焚烧发生反推力来调整和节制姿态。它们就像航天器的偏向盘，差之毫厘，谬以千里。

为了使嫦娥精确着陆，必需确保策动机具有100%的工作靠得住性。航天器用轨道和姿态节制策动机采用的是双阻元液体推进剂，也就是四氧化氮和肼类燃料，它在焚烧时会形当作高温氧化情况，今朝我们策动机推力室是难熔高温合金材料制当作的，但它的高温抗氧化机能很差，很轻易发生灾难性的PEST粉化氧化[即在某一特定温度规模内布局快速发生灾难性粉碎，同时陪伴加快内氧化过程的现象]。若是没有高温抗氧化涂层的庇护，在高温氧化的情况中推力室在很短的时候内就会被烧穿。

给推力室部件概况涂覆上微米级的硅化物系统高温抗氧化涂层后，在高达1300度的有氧情况下，硅化物起首会被氧化，进而在涂层的概况形当作一层持续致密的玻璃态氧化硅，有用地隔断进一步氧化。另一方面，因为这个氧化硅在高温下具有必然的流动性，还能主动填补涂层氧化过程中发生的裂纹、孔洞等缺陷，就像我们人体的血小板一样具有止血自愈的功能。

为了更遥远的征途

跟着火星探测、太空摸索的深切，为了顺应漫长的太空观光，完当作更复杂的航天使命，将来热控涂层材料将会标的目的着长命命、轻量化、多功能化以及智能化偏向成长。

不仅要经受住温度猛烈转变的考验，还要能扛住持久的太阳紫外辐照、高能宇宙射线、微流星撞击等恶劣情况。为了在较长的时候内连结机能不变，热控涂层的利用寿命就必需达到十年、二十年甚至要更长。

轻量化则是为了增添航天器的有用载荷。在总重量不变的环境下，航天器要进行瘦身减重，这样才能带更多的工具上天。今朝我们已经活着界上最轻的合金——镁锂合金上当作功地研制出了一种新的热控涂层而且获得了当作功的应用。

多功能化是指在具有热控感化的同时还具有其他的功能。为了应对分歧的工作情况，将来的航天器上还需要具有防静电功能的热控涂层，防止月球上尘埃污染的自洁净热控涂层，可以吸附分子级污染物的热控涂层等等。

前面所说的各类涂层的吸辐比是固定的，可以看作一个被动感化，所以在航天器的分歧的部位我们必需选用分歧的材料。而智能热控涂层是基于材料的热致相变特征研制的，涂层的发射率可以跟着航天器概况的温度转变而转变，及时主动对四周的情况进行响应，就像变色龙一样，这种涂层出格合用于对功能和质量要求很是苛刻的微纳卫星。

今朝我们尝试室开辟了两类智能热控涂层，一种是具有钙钛矿布局的锰氧化物，它是一种缺陷型化合物，跟着温度的转变，材料的晶格布局会发生改变，在改变的过程中呈现出金属性和绝缘性。

另一类是基于氧化钒薄膜来制备的，它在特定的温度下会发生一个金属-半导体相变，就像我们日常平凡主动运转的百叶窗一样，在室内的温度较高的时辰，它可以或许遮住光线；而当室内温度低时就能透出光线来。这两种涂层已经在尝试卫星上当作功搭载，并获得了普遍应用。