宋盛菊

你知道嗎？航天材料除了可靠性外，有一個(gè)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(yùn)載火箭的重量減少500千克。

錢學(xué)森曾說(shuō)：“航天器每一個(gè)零件減少1克重量都是貢獻(xiàn)，協(xié)調(diào)重量是總設(shè)計(jì)師的重要任務(wù)。”從最早的氣凝膠到“飛行石墨”，到“碳海綿”，再到纖維氣凝膠，超輕航天材料——?dú)饽z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(gè)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(lái)就讓我們一起來(lái)認(rèn)識(shí)一下氣凝膠吧！

輕如鴻毛又本領(lǐng)高強(qiáng)

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(shí)，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(diǎn)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?yàn)榘胪该鞯纳屎统p重量，氣凝膠有時(shí)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(shí)非常堅(jiān)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(duì)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(qiáng)的吸附性能，因此被稱為“超級(jí)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(guó)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(qiáng)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(guó)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(yàn)。

另外，“神舟七號(hào)”航天員出艙時(shí)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(hù)中。俄羅斯“和平號(hào)”空間站用它來(lái)進(jìn)行熱絕緣;在美國(guó)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(zhǎng)征五號(hào)”運(yùn)載火箭上，我國(guó)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(guó)用于執(zhí)行首次火星探測(cè)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(jí)海綿”，氣凝膠還被用來(lái)收集彗星塵埃和星際塵埃。2006年，“星塵號(hào)”探測(cè)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(hào)”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(guó)還通過氣凝膠填塞的回收手套來(lái)收集彗星塵。由于具有較高的強(qiáng)度，新型氣凝膠還可以防彈，或者說(shuō)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(wú)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(lái)在火星上建造人類棲息地。

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