嫦娥四号探测器首次在月球背面软着陆，中国宇宙探索的新里程碑
本文转载自公众号“创造”ID：创造，发现创造力。浩瀚的星空、一轮明月给人类带来无尽的遐想。然而，直到今天，人类还不了解月球的背面是什么样子。
由于潮汐锁定效应，月球绕地球公转和自转周期相同，均为27天7小时43分11.47秒。我们在地球上看到的月球仍然和几亿年前恐龙看到的月球在同一面。
遨游太空探索宇宙奥秘，是人类自古以来的梦想。我们一直想挣脱地球引力，看看地球之外有什么。自1958年以来，中国的太空探索历程已走过60年的发展历程，先后树立了人造卫星发射、载人航天、探月三大里程碑。
随着2019年1月3日嫦娥四号探测器首次成功登陆月球背面，人类终于有望逐步揭开月球背面的秘密。
全能装甲
中国科学院上海硅酸盐研究所特种无机涂层重点实验室主要从事航天器相关的各种热控涂层和热防护材料的研发，从第一颗人造卫星“东方红一号”开始嫦娥四号探测器见证了我国航天事业的发展。
每艘航天器都有经过精确计算和设计的热控系统，包括热控涂层、热防护材料、热管等。无论外部条件如何剧烈变化，航天器内部的温度都能维持在一定范围内保证舱内仪器、设备的正常运行。
为什么我们需要这个系统？
我们都知道，地球有大气层，它像防护罩一样保护着我们的地球，为地球提供空气，将地球的温度变化稳定在适应的范围内。
一旦飞船冲出大气层，失去保护，就像一个赤身裸体的新生婴儿，就会受到紫外线、高能粒子、原子氧等极端环境的侵蚀。其中，温度变化的影响最为显着。
由于太空是极高真空环境，航天器与外部环境的热交换唯一方式是热辐射，没有热传导或热对流。
当阳光直接照射到航天器表面时，如果没有保护层，温度会迅速升至100摄氏度以上。在没有阳光照射的地区，其温度会降至-100度以下。因此，我们必须为飞船穿上一套全面的防护装甲。
热控涂层
这就是东方红一号人造卫星。最外层那闪闪发光的金色外套，可不仅仅是为了好看。它是一种具有特殊功能的涂层材料，称为热控涂层。也是我们为嫦娥打造的最重要的东西。装备之一。它涂覆在材料表面，专门用于调节固体表面的热辐射性能，以达到热控制目的。
热控制涂层对于航天器来说就像衣服对于人类一样。而且也属于“高端私服，量身定制”。
在航天器的不同部位，我们还需要选择不同辐射吸收比[太阳吸收比与半球发射率之比]的热控涂层。
嫦娥四号探测器和玉兔号月球车使用的热控涂层有20多种，开发工艺和辐射吸收比各不相同。这些材料的应用保证了飞船的仪器设备能够在昼夜温差高达300度的情况下运行。环境仍然正常运行。
多层绝缘
除了热管理涂层之外，另一种热管理材料是多层隔热材料。
当探测器飞近月球时，其相对月球的速度大于月球的逃逸速度（2.38公里/秒）。如果不减速，探测器就会飞离月球。
为了实现绕月轨道运行，必须对其进行制动。也就是说，你需要刹车，将飞行速度降低到月球逃逸速度以内，这样才能被月球吸引力捕获。
下降过程中，月面着陆是真空状态下的软着陆。没有大气层，这意味着无法利用空气摩擦来实现减速，所以需要反向推力来实现减速着陆。
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7500 N 可变推力发动机是这一关键制动装置。
发动机工作时，最高温度可高达1400多度，但其周围仪器设备的工作温度需要维持在几十度左右。因此，我们必须将两者热隔离。
解决办法是在发动机周围穿一条“裙子”，它是高温多层隔热材料。
这条“裙子”厚度仅1厘米，由20多层特殊材料组成。磨损后，它会在发动机和周围电子元件之间形成热障。
即使裙部内部的燃烧室和喷嘴温度超过1000度，裙部外部的温度也不会超过100度，保证了嫦娥四号探测器的正常工作。
这种神奇的隔热材料是由低辐射率反射屏和低导热率隔热层交替叠加而成。在真空条件下，其导热系数极低，表现出优异的隔热性能。这项技术在日常生活中也得到了很好的应用。
一些户外运动品牌推出的保暖羽绒服也采用了类似的原理。
高摩擦抗冷焊涂层
航天器一般都有一对大型的翼状部件，这就是它的供电系统——太阳能电池阵帆板。这款帆板的接触支点上还有一层特殊的功能涂层，称为高摩擦抗冷焊涂层。
“高摩擦”顾名思义就是这种涂层具有很高的静摩擦系数；
“冷焊”是金属固体表面在高真空条件下失去吸附的气体，相互接触时发生不同程度的粘附的现象。
从微观层面来看，这种现象与材料表面原子的扩散密切相关。因此，我们在接触支点材料的一侧涂上了摩擦系数高、不易发生冷焊的陶瓷涂层，有效防止了冷焊现象的发生。
这种高摩擦性能保证了太阳能电池板的连接在发射、飞月、着陆、极离等加速和减速后仍保持稳定可靠。
耐冷焊表现在，当它经历14天负180度的极冷月夜时，玉兔的侧面太阳能电池板可以像被子一样折叠起来，盖住，帮助它减少散热。寒冷的夜晚。而月夜过后，长时间被压缩折叠的太阳能电池板依然可以自由伸展，不会被“冻住”。
这种涂层对太阳能电池板的可靠接触和频繁开关起到重要作用。
高温抗氧化涂层
网上有人在问：“太空是真空环境，为什么航天器上需要高温抗氧化涂层呢？”事实上，嫦娥四号上十多颗不同推力和方向的卫星都使用了这些抗氧化涂层。对发动机的不同态度。
嫦娥四号姿态控制发动机和推力室喷嘴
图中看到的喇叭状部件是推力室喷嘴。虽然它们体积小，但非常有效。
月球距地球38万公里。 “嫦娥奔月”过程中，需要多次变轨才能实现着陆。每次，这些姿态发动机都会被点燃，产生反推力来调节和控制姿态。
它们就像宇宙飞船的方向盘。微小的差异可能会带来千英里的差异。
为了让嫦娥准确着陆，发动机必须具有100%的运行可靠性。航天器的轨道和姿态控制发动机采用双阻液体推进剂，即四氧化二氮和联氨燃料。点燃时会形成高温氧化环境。目前我们的发动机推力室采用的是难熔高温合金材料，但其高温抗氧化性能很差，很容易造成灾难性的PEST粉末氧化[即在一定的范围内迅速发生灾难性的现象]。在特定温度范围内结构的破坏，并伴有加速的内部氧化过程]。
如果没有高温抗氧化涂层的保护，推力室在高温氧化环境下会在短时间内被烧穿。
推力室部件表面涂有微米级硅化物系高温抗氧化涂层后，在高达1300度的有氧环境中，硅化物首先会被氧化，然后形成连续致密的一层。形成在涂层的表面上。玻璃状氧化硅可有效阻止进一步氧化。
另一方面，由于这种氧化硅在高温下具有一定的流动性，还可以自动补偿涂层氧化过程中产生的裂纹、孔洞等缺陷。它就像我们体内的血小板一样，具有止血和自愈的功能。
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为了更远的旅程
随着火星探测和太空探索的深入，为了适应长途太空旅行和完成更加复杂的太空任务，未来热控涂层材料将向长寿命、轻量化、多功能和智能化方向发展。
不仅要经受温度剧烈变化的考验，还要经受长期太阳紫外线照射、高能宇宙射线、微流星撞击等恶劣环境。
为了长期保持稳定的性能，热控涂层的使用寿命必须达到十年、二十年甚至更长。
轻量化就是增加航天器的有效载荷。
在总重量不变的情况下，飞船需要瘦身、减重，以便能够携带更多的东西到太空。目前，我们已在全球最轻的合金——镁锂合金上成功研发出新型热控涂层并成功应用。
多功能是指它不仅具有热控功能，还具有其他功能。
为了应对不同的工作环境，未来的航天器还将需要具有防静电功能的热控涂层、防止月球灰尘污染的自清洁热控涂层、能够吸附分子级污染物的热控涂层等。 。
前面提到的各种涂层的辐射吸收比是固定的，可以看作是被动效应，所以我们必须在航天器的不同部位使用不同的材料。
智能热控涂层是根据材料的热致相变特性而开发的。涂层的发射率可以随着航天器表面温度的变化而变化，并且可以像变色龙一样实时自动响应周围环境。这种涂层特别适合功能和质量要求非常苛刻的微纳卫星。
目前，我们实验室已开发出两种类型的智能热控涂层。一种是具有钙钛矿结构的氧化锰。它是一种有缺陷的化合物。随着温度的变化，材料的晶格结构会发生变化。在转变过程中，它变得金属且绝缘。
另一种是基于氧化钒薄膜制备的，在特定温度下会发生金属-半导体相变，就像我们日常的自动百叶窗一样。室内温度高时，可遮光；当室内温度较低时，可以透光。这两种涂层已成功搭载在实验卫星上并得到广泛应用。
了解距离地球最近的行星月球只是第一步。
随着各种深空探测技术的发展和成熟，人类往返于地球和月球之间，建立永久性的月球基地。
月球资源的长期开发将不再是科幻小说中的想象。未来的某一天，我们甚至可能在月球上建造一个中转站和航天港，用于火星探索和进一步的太空任务。
航天是人类的最高梦想，也是尖端科学研究中最复杂、最困难的部分。需要长期的投入和关注。只有掌控天地的冷暖，才能畅游无边的宇宙。
启发
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创造、发现创造力
郑州市第二人民医院
一个值得多看两眼的地方
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