2021年7月23日，“天问一号”火星探测器成功发射一周年，“祝融号”火星车在火星表面累计行驶585米，标志着我国首次实现了通过一次发射任务完成火星环绕、火星着陆和火星巡视的三大探测目标。

 

 

 

　　“天问一号”一步实现“绕、着、巡”，意味着此次探测任务的起点高、难度大、挑战多。其中，热防护问题便是一项重要的挑战。着陆阶段探测器发动机产生的热流高达上千摄氏度，巡视阶段火星表面温度最低可达零下123℃，如何保障“天问一号”探测器同时在“极热”和“极寒”的太空环境下正常运转？

 

 

 

　　来自中国航天科工三院306所（下称306所）自主研发的“神奇”材料——纳米气凝胶，发挥大作用。优异的耐温、隔热性能和超轻质的特性使其不仅能够帮助“天问一号”应对太空极端环境，还可以有效减轻火星车的负载，为我国圆满完成火星探测任务保驾护航。

 

 

 

　　306所气凝胶研发团队厚植科研创新基因，不断积累核心技术，经过多年的不懈努力和集中攻关，最终攻克了火星探测用气凝胶的核心制备技术难题，其中一项核心技术专利2018年获得了“中国专利金奖”的殊荣。近日，本报记者采访了306所气凝胶研发团队的科研人员，听他们讲述研发创新背后汗水与喜悦交织的故事。

 

 

 

　　经受“冰与火”的考验

 

 

 

　　2014年，已在气凝胶领域深耕了近10年的306所，接到了一项新任务——研制用于“天问一号”火星探测任务的新型气凝胶材料。

 

 

 

　　“天问一号”探测器在执行“绕、着、巡”任务时，需要经历“冰”与“火”的双重考验。“在保证极高的隔热性能之外，‘着’用到的高温隔热组件要求气凝胶能够耐受1200℃的高温，而‘巡’需要的隔热性能则要求气凝胶能够耐受低于零下130℃的低温环境，同时气凝胶还要具有超低的密度。这对于研发团队来说是一项不小的挑战。”306所副所长张昊在接受本报记者采访时介绍。

 

 

 

　　尽管已经在气凝胶领域有着多年的技术和经验积累，严酷的太空环境以及严苛的材料性能要求还是让306所气凝胶研发团队碰上了“硬茬”。

 

 

 

　　“当时的气凝胶材料无法满足火星探测任务对超低密度以及绝佳隔热性能的要求。”张昊告诉记者，在一次次失败又一次次从头再来的交替中，团队尝试了上百种配方，把几十个工艺参数化整为零，开展了大量的验证试验，终于研发出了符合火星探测要求的高性能气凝胶材料。

 

 

 

　　“纳米气凝胶是一种并不被大众熟知的神奇材料。它是由纳米尺度的固体骨架构成的一个三维立体网络，网络结构间包含着丰富的纳米孔隙，孔隙率可以高达99.8%。”张昊一边说着，一边向记者演示纳米气凝胶的神奇之处。只见他用上千摄氏度的火焰炙烤气凝胶的下方，而置于气凝胶上方的鲜花竟然“毫发无损”。

 

 

 

　　正是由于纳米气凝胶的这种特殊结构，才使得空气被锁定在内部结构中无法自由传热，因此其导热系数仅为静止空气的一半，是世界上隔热性能最好的固体。这使它成为了“天问一号”所需热防护材料的“不二之选”。

 

 

 

　　“在火星着陆阶段，仅仅十几毫米厚的气凝胶隔热组件将上千度的高温阻隔到可接受的温度范围，就像给探测器穿上了‘防火服’。”张昊介绍，在火星巡视阶段，“天问一号”则穿上了“超级防寒服”。面对火星表面零下130℃左右的极寒气候，火星车借助于表面铺设的大面积超低密度气凝胶板，不仅能在极寒环境下正常工作，而且可以有效减轻负载，在火星上跑得更快、跑得更远。

 

 

 

　　从设想到目标的实现，306所气凝胶研发团队迈过了“从0到1”的艰难跨越。“在经过物理特性、力学性能、隔热性能和空间耐候性能等四大类共98项的验证试验后，我们研发的高性能气凝胶材料终于如期赶上了开往火星的‘航班’。”谈及气凝胶材料成功应用于火星探测任务，张昊感慨万千。

 

 

 

　　坚定自主创新的步伐

 

 

 

　　“天何所沓？十二焉分？”早在战国时期，诗人屈原就对头顶的这片苍穹产生了好奇。两千多年后的今天，“天问一号”探测器成功软着陆火星乌托邦平原南部，迈出了我国星际探测征程的重要一步。

 

 

 

　　火星探测任务仍在继续，306所在气凝胶领域自主创新的步伐也未曾停下。截至目前，其气凝胶材料广泛应用于航天领域，涉及到的航天装备超过三十个型号，遍及低空、高空、临近空间和深空的各类飞行器。

 

 

 

　　“纳米气凝胶防隔热材料技术已发展成为306所核心专业技术方向之一。当前，306所在纳米气凝胶防隔热材料领域积极开拓新方向，加大技术投入，引领材料产品升级换代。”回想起研发初期，团队针对实际应用需求坚持进行自主研究并积极展开专利布局，306所第五技术部预研组组长张恩爽坦言“走对了路子”。

 

 

 

　　“在研究的过程中，我们只要有一些新点子，有一些新的实验结果，就会提交相应的专利申请，以此保护创新成果。”张恩爽介绍，除了火星探测用气凝胶材料的相关专利外，团队还对不同种类、不同性能以及不同应用的气凝胶材料开展全面的专利布局。截至目前，306所在气凝胶相关领域共提交245件专利申请，其中已有50余件获得授权。

 

 

 

　　“知识产权是科技创新成果的重要构成，是企业核心竞争力的集中体现。”张恩爽表示，为进一步保护科技成果，鼓励发明创造，306所制定了《知识产权管理办法》《科技成果转移转化管理办法》等文件，进一步规范知识产权管理工作，鼓励科研人员自主创新。

 

 

 

　　基础研究的最终目的是要走向应用，这是一个“从1到100”的过程。迈过了“从0到1”的跨越，实现从“1到100的腾飞”是306所气凝胶研发团队不懈追求的目标。

 

 

 

　　“实际上，我们的高性能隔热复合材料不仅能‘上九天揽月’，服务于航空航天高端领域，其在日常民用市场也占据了一席之地。”张昊告诉记者，经过多年发展，306所研发出中温型、高温型等多个系列的气凝胶产品，规划了高性能气凝胶在防火装备、管道保温等领域的发展路线，年均直接经济效益超过2亿元，实现了航天技术成果向民用领域的有效转化。

 

 

 

　　回首“十三五”，306所在科技创新的道路上取得了丰硕成果。展望“十四五”，研发团队提出发展“更高性能、更多功能和更低成本”的气凝胶材料。未来，团队将夯实研究技术基础，推动科技创新提质增效，加快知识产权成果转移转化，助力航天特种材料技术向着产业化、市场化方向发展。

 

 

 

　　逐月探火，中国航天探索宇宙的进程永无止境；科研攻关，306所开拓创新的步履从未停歇。在“冰与火”的历练中，科研工作者将砥砺前行，为下一个十年的空天征途续写新的绚烂篇章。