超轻航天材料

宋盛菊

你知道吗？航天材料除了可靠性外，有一个重要的要求就是轻。航天器的重量每减少1千克，就能使发射它的运载火箭的重量减少500千克。

钱学森曾说：“航天器每一个零件减少1克重量都是贡献，协调重量是总设计师的重要任务。”从最早的气凝胶到“飞行石墨”，到“碳海绵”，再到纤维气凝胶，超轻航天材料——气凝胶一次一次地刷新着“最轻材料”的纪录。

现在，气凝胶已经被广泛应用于航空航天的多个领域，最近要登陆火星的火星车上也少不了它的身影。接下来就让我们一起来认识一下气凝胶吧！

轻如鸿毛又本领高强

气凝胶，又称为气溶胶或干凝胶，是一种由细小粒子聚集而成的三维网状结构的具有固态特征的胶态体系。当凝胶脱去大部分溶剂，凝胶的空间网状结构中充满的介质为气体，外表呈固体状时，即为气凝胶。气凝胶的种类很多，有硅系、碳系、硫系、金属氧化物系、金属系等等。

气凝胶的结构特点使得其非常轻，成为目前世界上密度最小的几种固体之一。因为半透明的色彩和超轻重量，气凝胶有时也被称为“固态烟”或“冻住的烟”。这种新材料看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用，它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，且最高能承受1400摄氏度的高温。

气凝胶表面的微细孔极多，对于气体和液体中，特别是液体中的污染物，包括重金属具有极强的吸附性能，因此被称为“超级海绵”，是一种新型的环保材料。

气凝胶还是很好的吸音材料，比如我国2015年研制的纤维气凝胶，可以在100～6300赫兹宽频段内高效吸音。此外，气凝胶的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。

在航天航空领域大展拳脚

航天方面，气凝胶的应用十分广泛。由于其突出的隔热性能，美国宇航局在航天服的飞行隔热内里中使用了气凝胶，夹层厚度约为18毫米，能够帮助航天员忍受-130℃～1400℃的超低温和超高温。该种航天服经过了多次天地往返的考验。

另外，“神舟七号”航天员出舱时穿的舱外航天服就使用了这种材料。气凝胶还被广泛用于各种航天器的电路部分的隔热保护中。俄罗斯“和平号”空间站用它来进行热绝缘;在美国的“探路者”和“漫步者”火星车中，气凝胶用于帮助火星车中关键的电器元件和线路承受-100℃的低温。

在“长征五号”运载火箭上，我国自主研制的高性能纳米气凝胶隔热毡，就为火箭燃气管路系统提供了隔热保温功能。我国用于执行首次火星探测任务的火星车上，采用的最新型的热控保温材料，也是新型纳米气凝胶。

作为“超级海绵”，气凝胶还被用来收集彗星尘埃和星际尘埃。2006年，“星尘号”探测器带着人类获得的第一批彗星尘样品返回地球，这些彗星尘就是通过“星尘号”上的气凝胶样品采集器收集的。该采集器采集面积超过1000平方厘米，可收集各种类型的粒子。

此外，美国还通过气凝胶填塞的回收手套来收集彗星尘。由于具有较高的强度，新型气凝胶还可以防弹，或者说防撞击。在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶，就算炸药直接炸中，金属片也分毫无伤。另外，科学家们最近在研究如何利用气凝胶改造火星，使得其部分地區可以住人，以帮助未来在火星上建造人类栖息地。

最后，再说说气凝胶材料在航空方面的应用。其实，气凝胶材料在美、英两国的飞机中均有应用，目前主要用于飞机有乘员的舱室舱壁和重要仪器的隔热防护。如美国“鱼鹰”倾转旋翼机舱壁隔热系统和红外系统的防护均使用了气凝胶;英国“美洲豹”战斗机改型的驾驶舱机舱隔热壁中也使用了气凝胶材料。