從地球飛到月球，嫦娥到底穿了什麼衣服？_風聞

造就第420位講者 孟佳

中科院上海硅酸鹽研究所高級工程師

明月幾時有

把酒問青天

不知天上宮闕

今夕是何年

浩瀚星空，一輪明月帶給了人類無盡的遐想。然而直到今天，人類都不瞭解月球背面究竟是什麼樣。

由於潮汐鎖定效應，月亮繞地球公轉和自轉的週期相同，都是27天7小時43分11.47秒，我們在地球上看到的月亮與幾億年前恐龍看到的月亮，依然是同一面。

遨遊太空探索宇宙奧秘是人類自古以來一直夢寐以求的願望，我們鍥而不捨地想要掙脱地球的引力，去看看地球之外究竟有什麼。自1958年以來，中國在宇宙探索的征程上經過了60年的發展，先後樹立了三個里程碑：發射人造衞星、載人航天和月球探測。

隨着2019年1月3日嫦娥四號探測器首次在月球背面成功登陸，人類終於有望逐漸揭開月球背面的秘密。

全方位護甲

我所任職的中科院上海硅酸鹽研究所特種無機塗層重點實驗室，主要從事與航天器相關的各種熱控塗層、熱防護材料的研究開發，從第一顆人造衞星“東方紅一號”到嫦娥四號探測器，見證了我國航天事業的發展。

在每個航天器上都有一套經過精密計算、設計而來的熱控制系統，它包含熱控塗層、熱防護材料以及熱管等。不管外部的條件變化多麼劇烈，都能使航天器內部維持在一定的温度範圍，保證艙內儀器設備正常工作。

為什麼要有這套系統呢？

我們都知道地球有大氣層，它就像一個保護罩一樣把我們的地球保護起來，為地球提供空氣，並且可以讓地球的温度變化穩定在一個可適應的範圍內。

而航天器一旦衝出大氣層，失去了它的保護，就像一個赤身裸體的新生嬰兒，會受到紫外線、高能粒子、原子氧等極端環境的侵蝕，其中温度變化帶來的影響是最為顯著的。

因為宇宙空間是個極高真空環境，航天器與外部環境的熱交換隻有熱輻射一種方式，沒有熱傳導，也沒有熱對流。當太陽直接照到航天器表面，如果沒有加防護層，温度會很快升到100攝氏度以上，而在太陽照射不到的區域，它的温度又會降到零下100度以下。因此我們必須給航天器穿戴上一套全方位的保護盔甲。

熱控塗層

這是東方紅一號人造衞星，最外層這件閃着金光的外衣絕不是為了好看，它是一種具有特殊功能的塗層材料，叫做熱控塗層，也是我們給嫦娥打造的最重要的裝備之一。它是塗覆在材料表面，專門用來調控固體表面熱輻射性質，從而達到熱控制目的。

熱控塗層之於航天器就如同衣服對於人類。而且還屬於“高端私服、量身定製”。在航天器不同的部位，我們還要選擇不同吸輻比[太陽吸收比和半球發射率的比值]的熱控塗層。

嫦娥四號探測器和玉兔巡視器所使用的熱控塗層多達20餘種，研製工藝和吸輻比各不相同，這些材料的應用確保了航天器各儀器設備在晝夜温差高達300度的環境中依然正常運轉。

多層隔熱材料

除了熱控塗層，另外一種熱控材料是多層隔熱材料。

當探測器飛行到月球附近的時候，它相對月球的速度大於月球的逃逸速度（2.38公里/秒），如果不減速，這個探測器就會飛離月球。而要實現繞月飛行，就必須對它進行制動。也就是要剎一下車，將飛行速度降到月球逃逸速度以內，從而被月球吸引力捕獲。

而在下降的過程中，月面着陸是在真空狀態下的軟着陸，沒有大氣，也就意味着不能利用空氣摩擦實現減速，因此需要用反推力來實現減速降落。

7500牛的變推力發動機就是這個關鍵的剎車裝置。當它發動機工作的時候，最高温度可以高達1400多度，而它周圍的儀器設備的工作温度卻需要維持在幾十度左右。因此，我們必須將這兩者在温度上隔離開。

解決方案就是在發動機的外圍給它穿一條“裙子”，也就是高温多層隔熱材料。

這條“裙子”的厚度只有1釐米，由20多層特殊材料組成,穿上它就在發動機和周圍的電子元器件之間形成了一道熱屏障。哪怕裙內燃燒室和噴管的温度超過了1000度，裙外的温度也不會超過100度，確保了嫦娥四號探測器的正常工作。

這種神奇的隔熱材料是由低發射率的反射屏和低導熱率的隔熱層交替疊合生成的，在真空條件下它的熱傳導率極低，表現出極好的隔熱性能，在日常生活中這種技術也得到了很好的應用。一些户外運動品牌推出的熱能羽絨服就採用了類似的原理。

高摩擦抗冷焊塗層

航天器上一般都有一對大大的像翅膀一樣的部件，那是它的供電系統——太陽能電池陣列帆板。在這個帆板的接觸支點上還有一種特殊的功能塗層，叫做高摩擦抗冷焊塗層。

“高摩擦”顧名思義就是指這個塗層具有很高的靜摩擦係數；“冷焊”是在高真空條件下，金屬固體表面失去所吸附的氣體，相互接觸時發生不同程度的黏結現象。在微觀程度下這種現象與材料表面原子的擴散是密切相關的，因此我們就在接觸支點材料的一面塗覆了一種具有高摩擦係數且不易發生冷焊的陶瓷塗層，有效地防止了冷焊現象的發生。

這種高摩擦性能能確保太陽能帆板在經過發射、奔月、着陸以及兩極分離等加速、減速環節後連接仍然穩定可靠。

而抗冷焊性則表現在經歷長達14天，零下180度的極寒月夜時，玉兔的側太陽帆板能收攏起來，像棉被一樣蓋在玉兔的身上，幫助它在寒夜裏減少散熱，而在月夜過後，經過長時間壓緊、收攏狀態的太陽帆板依然能夠伸張自如，不會被“凍僵”。這個塗層為太陽能帆板的可靠接觸和頻繁啓閉發揮了重要作用。

高温抗氧化塗層

網上有人在問：“宇宙空間是一個真空的環境，為什麼航天器上還要用高温抗氧化塗層呢？”其實這些抗氧化塗層是用於嫦娥四號上十幾個推力不同、方向各異的姿態發動機上的。

嫦娥四號上的姿控發動機及推力室噴管

圖上看到的這些喇叭狀的部件就是推力室噴管。別看它們個頭很小，但是它們作用卻很大。

月球與地球相距38萬公里，“嫦娥奔月”過程中要經過多次變軌才能實現着陸，每次都是通過這些姿態發動機點火產生反推力來調整和控制姿態。它們就像航天器的方向盤，差之毫釐，謬以千里。

為了使嫦娥準確着陸，必須確保發動機具有100%的工作可靠性。航天器用軌道和姿態控制發動機採用的是雙阻元液體推進劑，也就是四氧化氮和肼類燃料，它在點火時會形成高温氧化環境，目前我們發動機推力室是難熔高温合金材料製成的，但它的高温抗氧化性能很差，很容易發生災難性的PEST粉化氧化[即在某一特定温度範圍內結構快速發生災難性破壞，同時伴隨加速內氧化過程的現象]。如果沒有高温抗氧化塗層的保護，在高温氧化的環境中推力室在很短的時間內就會被燒穿。

給推力室部件表面塗覆上微米級的硅化物體系高温抗氧化塗層後，在高達1300度的有氧環境下，硅化物首先會被氧化，進而在塗層的表面形成一層連續緻密的玻璃態氧化硅，有效地隔絕進一步氧化。另一方面，由於這個氧化硅在高温下具有一定的流動性，還能自動彌補塗層氧化過程中產生的裂紋、孔洞等缺陷，就像我們人體的血小板一樣具有止血自愈的功能。

為了更遙遠的征途

隨着火星探測、太空探索的深入，為了適應漫長的太空旅行，完成更復雜的航天任務，未來熱控塗層材料將會向着長壽命、輕量化、多功能化以及智能化方向發展。

不僅要經受住温度劇烈變化的考驗，還要能扛住長期的太陽紫外輻照、高能宇宙射線、微流星撞擊等惡劣環境。為了在較長的時間內保持性能穩定，熱控塗層的使用壽命就必須達到十年、二十年甚至要更長。

輕量化則是為了增加航天器的有效載荷。在總重量不變的情況下，航天器要進行瘦身減重，這樣才能帶更多的東西上天。目前我們已經在世界上最輕的合金——鎂鋰合金上成功地研製出了一種新的熱控塗層並且得到了成功的應用。

多功能化是指在具有熱控作用的同時還具有其他的功能。為了應對不同的工作環境，未來的航天器上還需要具有防靜電功能的熱控塗層，防止月球上灰塵污染的自清潔熱控塗層，可以吸附分子級污染物的熱控塗層等等。

前面所説的各種塗層的吸輻比是固定的，可以看作一個被動作用，所以在航天器的不同的部位我們必須選用不同的材料。而智能熱控塗層是基於材料的熱致相變特徵研製的，塗層的發射率可以隨着航天器表面的温度變化而變化，實時自動對周圍的環境進行響應，就像變色龍一樣，這種塗層特別適用於對功能和質量要求非常苛刻的微納衞星。

目前我們實驗室開發了兩類智能熱控塗層，一種是具有鈣鈦礦結構的錳氧化物，它是一種缺陷型化合物，隨着温度的變化，材料的晶格結構會發生轉變，在轉變的過程中呈現出金屬性和絕緣性。

另一類是基於氧化釩薄膜來製備的，它在特定的温度下會發生一個金屬-半導體相變，就像我們平時自動運轉的百葉窗一樣，在室內的温度較高的時候，它能夠遮住光線；而當室內温度低時就能透出光線來。這兩種塗層已經在實驗衞星上成功搭載，並得到了廣泛應用。

瞭解月球這顆離地球最近的星球只是第一步，隨着各種深空探測技術的發展和成熟，人類在地球與月球之間往返，建立永久性月球基地，長期開發月球資源將不再是科幻小説裏的想象，甚至在未來的某一天，我們還可能在月球建成中轉站、航天港，用於火星探測和更遠的太空任務。

航天是人類的至高夢想，也是前沿科學研究中最複雜最艱難的部分，需要長期的投入和關注，唯有掌控天地冷暖，才能縱橫無限宇宙。

互動話題：

如果你有一次去月球的機會，你會帶上什麼呢？