“嫦娥”的高端定制外衣

簡愛

2019年1月3日，嫦娥四號探測器首次在月球背面成功登陸，取得了航天領(lǐng)域的巨大突破，也引起了全世界的關(guān)注。那么，嫦娥四號探測器是如何做到在變幻莫測的浩瀚宇宙中毫發(fā)無損地完美著陸的呢？其實，這與航天器表面涂層是分不開的。我們知道，大氣層像保護(hù)罩一樣，可以讓地球的溫度穩(wěn)定在一個能夠適應(yīng)的范圍內(nèi)，而航天器一旦沖出大氣層，就會在極高真空的環(huán)境下受到紫外線、高能粒子、原子氧等侵蝕。當(dāng)太陽光直射到航天器的表面時，溫度會很快上升到100攝氏度以上，而太陽照射不到的區(qū)域，溫度則會降至100攝氏度以下，從而對內(nèi)部儀器設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成極大的威脅和破壞。因此，人們必須給航天器穿戴上一套全方位的保護(hù)衣。

首先是熱控涂層。它由具有特殊功能的材料制成，涂覆在最外層專門用來調(diào)控固體表面熱輻射的性質(zhì)，從而達(dá)到熱控制的目的。航天器的不同部位需要不同研制工藝和吸收輻射的涂層材料，嫦娥四號探測器所使用的熱控涂層多達(dá)二十余種。這些材料能確保航天器各儀器設(shè)備在晝夜溫差達(dá)300攝氏度的環(huán)境中依然能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。換句話來說，對于航天器來說，熱控涂層就像衣服之于人類，而且是“高端私服，量身定制”。

其次是多層隔熱材料。當(dāng)探測器飛行到月球附近時，就需要減速至月球逃逸速度（2.38千米/秒）之內(nèi)，從而使其被月球引力捕獲，在真空狀態(tài)下軟著陸，而這個過程只能靠7500牛頓變推力發(fā)動機(jī)的反推來實現(xiàn)。發(fā)動機(jī)工作時最高溫度可達(dá)1400多攝氏度，它周圍儀器設(shè)備的工作溫度卻需要維持在幾十?dāng)z氏度左右。因此，人們必須控制好兩者的溫度。發(fā)動機(jī)外圍的一條“裙子”解決了這一難題，這個由二十多層低發(fā)射率反射屏和低導(dǎo)熱率隔熱層交替疊合生成的隔熱材料，厚度僅為1厘米，卻隔離了溫度超過1000攝氏度的發(fā)動機(jī)與溫度低于100攝氏度的機(jī)外設(shè)備，讓探測器得以正常工作。

再次是高摩擦抗冷焊涂層。“高摩擦”是指這個涂層具有很高的靜摩擦系數(shù);“冷焊”是指在高真空狀態(tài)下金屬固體因表面失去所吸附的氣體而相互接觸時發(fā)生不同程度的黏結(jié)現(xiàn)象?！袄浜浮迸c材料表面原子的擴(kuò)散密切相關(guān)，所以在航天器的供電系統(tǒng)太陽能電池陣列帆板的接觸支點上，涂覆一種有高摩擦系數(shù)且不易發(fā)生冷焊的陶瓷涂層，即可有效防止冷焊現(xiàn)象的發(fā)生，確保太陽能帆板在經(jīng)過發(fā)射、奔月、著陸及兩器分離等加速、減速環(huán)節(jié)后的連接依然穩(wěn)定可靠。即使在經(jīng)歷長達(dá)14天、零下180攝氏度的極寒月夜后，帆板依然能夠伸張自如，不被“凍僵”。

最后是高溫抗氧化涂層。月球和地球相距38萬千米，嫦娥四號探測器在奔月的過程中要經(jīng)過多次變軌才能實現(xiàn)著陸。每次變軌，都是通過姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)點火和推力室噴管產(chǎn)生反推力調(diào)整控制姿態(tài)來實現(xiàn)。它們就像航天器的方向盤，差以毫厘，便失之千里。為了確保百分之百的工作可靠性，嫦娥四號探測器姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)采用了四氧化二氮和肼類燃料，點火時會形成高溫氧化環(huán)境，如果沒有高溫抗氧化涂層，推力室在很短的時間內(nèi)就會被燒穿。給推力室部件表面涂覆上微米級的硅化物體系涂層后，在高達(dá)1300攝氏度的有氧環(huán)境下，硅化物首先被氧化，進(jìn)而在涂層表面形成一層玻璃態(tài)氧化硅，有效隔絕進(jìn)一步氧化，而且這個氧化硅在高溫下具有一定的流動性，還能自動彌補(bǔ)涂層氧化過程中所產(chǎn)生的裂紋、孔洞等。

如果說熱控涂層是嫦娥四號探測器的衣服，那么多層隔熱材料、高摩擦抗冷焊涂層和高溫抗氧化涂層就是這件衣服上的裝飾，它們不僅具有實用性，而且還使得“嫦娥”在點點金光中顯得格外耀眼璀璨。