“嫦娥”的高端定制外衣

文/简爱

    2019年1月3日，嫦娥四号探测器首次在月球背面成功登陆，取得了航天领域的巨大突破，也引起了全世界的关注。那么，嫦娥四号探测器是如何做到在变幻莫测的浩瀚宇宙中毫发无损地完美着陆的呢？这与航天器表面涂层是分不开的。我们知道，大气层像保护罩一样可以让地球的温度稳定在一个可以适应的范围内，而航天器一旦冲出大气层，就会在极高真空的环境里受到紫外线、高能粒子、原子氧等的侵蚀。当太阳光直射到航天器的表面时，温度会很快升到100摄氏度以上，而太阳照射不到的区域，温度则会降至100度以下，从而对内部仪器设备的正常运转造成极大的威胁和破坏。因此必须给航天器穿戴上一套全方位的保护“铠甲”。

    首先，是热控涂层。它由具有特殊功能的材料制成，涂覆在表面专门用来调控固体表面热辐射的性质，从而达到热控制目的。在航天器不同部位，需要不同研制工艺和吸辐比的涂层材料，嫦娥四号探测器所使用的热控涂层多大20余种。这些材料能确保航天器各仪器设备在昼夜温差达300度的环境中依然能够正常运转。换句话说，热控涂层对于航天器来说，就像衣服之于人类，而且还是“高端私服，量身定制”。

    其次，是多层隔热材料。当探测器飞行到月球附近时，就需要减速至月球逃逸速度（2.38公里/秒）之内，从而使其被月球引力捕获，在真空状态下的软着陆。而这个过程只能靠7500牛顿变推力发动机的反推来实现。当发动机工作时最高温可达1400多度，它周围的仪器设备的工作温度却需要维持在几十度左右。因此，必需将二者在温度上分开。发动机外围的一条“裙子”解决了这一难题。这个由20多层低发射率反射屏和低导热率隔热层交替叠合生成的隔热材料，厚仅1厘米，却确保了哪怕发动机内燃烧室和喷管的温度超过1000度，机外的温度也不会超过100度。多层隔热材料极好的隔热性能让探测器得以正常工作。

    再次，还有高摩擦抗冷焊涂层。“高摩擦”是指这个涂层具有很高的静摩擦系数；“冷焊”是在高真空状态下金属固体因表面失去所吸附的气体而相互接触时发生不同程度的粘结现象。“冷焊”与材料表面原子的扩散密切相关，所以，在航天器的供电系统太阳能电池阵列帆板（那对像翅膀一样的部件）的接触支点上，涂覆一种有高摩擦系数且不易发生冷焊的陶瓷涂层，即可有效防止冷焊现象的发生，确保太阳能帆板在经过发射、奔月、着陆以及两器分离等加速、减速环节后连接还是稳定可靠，即使在经历长达14天、零下180度的极寒月夜后，帆板依然能够伸张自如不被“冻僵”。

    另外，还有高温抗氧化涂层。月球和地球相距38万公里，“嫦娥”在奔月的过程中要经过多次变轨才能实现着陆。每次变轨，都是通过姿态发动机点火和推力室喷管（像爪一样的喇叭状部件）产生反推力调整控制姿态来实现。它们就像航天器的方向盘，差之毫厘失之千里。为了确保百分之百的工作可靠性，“嫦娥”姿态控制发动机采用了四氧化二氮和肼类燃料，点火时会形成高温氧化环境，如果没有高温抗氧化涂层，推力室在很短时间内就会被烧穿。给推力室部件表面涂覆上微米级的硅化物体系涂层后，在高达1300度的有氧环境下，硅化物首先被氧化，进而在涂层表面形成一层连续致密的玻璃态氧化硅，有效地隔绝进一步氧化；而且，这个氧化硅在高温下具有一定的流动性，还能自动弥补涂层氧化过程中产生的裂纹、孔洞等缺陷，就像我们人体的血小板具有止血自愈功能一样。

    如果说热控涂层是嫦娥四号的衣服，那么多层隔热材料、高摩擦抗冷焊涂层和高温抗氧化涂层就是这件衣服上的装饰。它们不仅实用性上不可或缺，也使得“嫦娥”点点金光中显得格外耀眼璀璨。

本文原创首发《知识窗》2019第7期

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