气凝胶隔热材料在空间探测领域的研究与应用

气凝胶材料最早在1931年由美国科学家SSKISTLER首次使用硅酸钠酸性溶液合成，之后随着有机硅烷溶胶-凝胶技术及超临界CO2干燥技术的完善，气凝胶制备水平不断提升，高品质气凝胶相继被开发。

气凝胶及其三维网络结构

20世纪末，美国首次将气凝胶应用在火星探测项目中，气凝胶在航天器中应用研究愈发重要。随着国内空间探测任务发展，对于环境隔热要求越来越严苛，气凝胶材料已在多个型号中实现多个工程应用。

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气凝胶材料在火星探测领域的研究与应用如下：

1.火星探测隔热保温

1.1在火星低温环境的应用

火星表面存在平均压力约600Pa的大气环境，最低温度约-123 ℃。为了保证火星车舱内电子设备在正常温度范围内工作，迫切需要一种被动、高效的隔热措施。火星上气体传热和对流换热方式直接影响着火星车隔热保温材料的选择。空间探测中常用的传统多层隔热组件基于真空环境抑制辐射换热性能，真空环境中理论热导率可达0. 85×10-5W/（m·K），然而在有气体条件下，多层隔热组件的热导率衰减至0. 038 W/（m·K）。气凝胶极佳的抗气体对流性能成为火星车优选绝热方式。

1997年，气凝胶首次应用于火星探测中。美国国家航空航天局（NASA）探路者（Pathfiner）火星探测器释放的索杰纳（Sojourner）火星车，采用了环氧玻璃钢平板桁架结合的结构，内部25~32 mm的厚度充满了密度为20kg/m3的SiO2气凝胶材料，在火星大气环境下（1kPa，CO2，24℃）隔热装置热导率约为0. 0163W/（m·K）。由于气凝胶红外透明性较好，需要增加反射层来减少辐射热传导，所以采用夹层结构，利用5µm厚的镀金聚酰亚胺膜起到反射作用，增加系统抗辐射性能。结果表明，Pathfiner的气凝胶材料在火星表面CO2低气压环境下提供了理想的保温隔热效果，为系统节省了约为5kg质量。该应用实例也说明，虽然气凝胶脆性较大，但是固定得当，气凝胶结构也可以承受发射和着陆过程中巨大的冲击。

Pathfiner隔热装置中的气凝胶

1.2在火星高温环境下应用

火星车进入火星大气时，探测器会和大气剧烈摩擦产生上千度高温。针对着陆时热防护，NASA开展极音速充气气动减速器（HIAD）研制工作。

其中，JADELCORSO等人开始探索其主要环节——柔性热防护系统（FTPS），FTPS一般分为三层，由外至内分别为热防护层、隔热层、气密层，其中的隔热层主要采用气凝胶，包括PI-POSS型聚酰亚胺气凝胶，以及可耐1100 ℃高温、纤维增强Pyrogel3350型SiO2气凝胶等。国内北京空间机电研究所曹旭等设计的FTPS，隔热层采用耐高温织物与气凝胶多层铺设结构在热冲击试验中，耐热效果显著。

2.空间同位素电源保温

基于深空探测的恶劣自然条件以及对电源更高稳定性和耐久性要求，空间工作的供电系统性能决定着深空探测进程的发展。空间电源技术发展至今应用最为成熟的是同位素温差电池（RTG）。在过去40年中，NASA有关地球轨道、月球、火星等太空船车载电力项目基本采用RTG。在空间工作过程中，RTG通过放射性同位素衰变产生热能，同时利用余热为热控系统提供热能，以在极低温度条件下保护探测器。如何减少热量散失损耗，以提高热电转换效率是其中RTG技术应用的关键问题。目前技术在真空条件中绝热效果最好的多层绝热（MLI）形式，其由反射膜和涤纶网组成的多层结构，不具有组装性能，易引起系统漏热。耐高温气凝胶材料真空、室温热导率可低至0. 001W/（m·K），且具有一定结构强度，能够通过机械加工出沟、槽等结构，从而组装形成异型结构，搭建完整的隔热装置。相比较于多层结构，气凝胶材料更能有效地避免系统漏热。因此RTG的隔热主要采用气凝胶材料。

RTG中的热源气凝胶保温复合板

3.低温储箱保温

低温液体在空间中用途广泛，随着空间技术的发展，对于低温液体储存条件的要求越来越高，具有低密度、低导热等特性气凝胶在低温液体储存方面可以 做到更长寿命、更低损 耗。NASA将阿斯彭（Aspen）技术成熟的低温气凝胶毡和MLI联合制成隔热组件，这种低密度气凝胶复合材料与MLI组装有望成为一种满足隔热及相关空间性能需求的隔热构件，它可以克服 MLI 目前面临的问题：（1）组装过程中容易破损；（2）价格高；（3）时间长性能退化。气凝胶/MLI 组合结构可以提供一种可靠、性能优异的方案。

NASA肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center）及其低温测试实验室（Cryogenics Test Laboratory，CTL）研究了气凝胶/MLI组合结构，并与MLI结构（0.3048 m厚，90层）在低温，不同真空度条件下进行对比考察。

3种气凝胶/MLI结构方案的热导率变化曲线

结果表明低密度气凝胶/MLI组合结构对隔热性 能相对纯气凝胶毡有更明显提升。在高真空条件下隔热性能比 MLI 更优。另外，低密度气凝胶/MLI 组合结构由于气凝胶存在，可以对易损坏的MLI有一 定力学支撑作用。

4.星际宇航服保温

在火星大气环境下，传统多层材料隔热效果降低。而气凝胶材料新型宇航服可适应真空或低压大气， 还具备传统压力服性能，因此气凝胶材料是理想选 择。约翰逊航天中心（JSC）着力于气凝胶和MLI隔热材料研究和应用，经过试验验证，在高真空环境下MLI比气凝胶的热导率更低，但二者都能满足目 标热导率 0. 005 W/（m·K），而在低真空环境下气凝胶比MLI热导率更低。

来源：[1]孟昊轩,常晓晶,艾素芬,邱家稳,刘佳.气凝胶隔热材料在空间探测领域研究与应用进展[J].宇航材料工艺,2023,53(01):13-20.