氣凝膠材料最早在1931年由美國科學家SSKISTLER首次使用硅酸鈉酸性溶液合成，之后隨著有機硅烷溶膠-凝膠技術及超臨界CO2干燥技術的完善，氣凝膠制備水平不斷提升，高品質氣凝膠相繼被開發。
氣凝膠及其三維網絡結構
20世紀末，美國首次將氣凝膠應用在火星探測項目中，氣凝膠在航天器中應用研究愈發重要。隨著國內空間探測任務發展，對于環境隔熱要求越來越嚴苛，氣凝膠材料已在多個型號中實現多個工程應用。
?
氣凝膠材料在火星探測領域的研究與應用如下：
1.火星探測隔熱保溫
1.1在火星低溫環境的應用
火星表面存在平均壓力約600Pa的大氣環境，最低溫度約-123 ℃。為了保證火星車艙內電子設備在正常溫度范圍內工作，迫切需要一種被動、高效的隔熱措施。火星上氣體傳熱和對流換熱方式直接影響著火星車隔熱保溫材料的選擇。空間探測中常用的傳統多層隔熱組件基于真空環境抑制輻射換熱性能，真空環境中理論熱導率可達0. 85×10-5W/（m·K），然而在有氣體條件下，多層隔熱組件的熱導率衰減至0. 038 W/（m·K）。氣凝膠極佳的抗氣體對流性能成為火星車優選絕熱方式。
1997年，氣凝膠首次應用于火星探測中。美國國家航空航天局（NASA）探路者（Pathfiner）火星探測器釋放的索杰納（Sojourner）火星車，采用了環氧玻璃鋼平板桁架結合的結構，內部25~32 mm的厚度充滿了密度為20kg/m3的SiO2氣凝膠材料，在火星大氣環境下（1kPa，CO2，24℃）隔熱裝置熱導率約為0. 0163W/（m·K）。由于氣凝膠紅外透明性較好，需要增加反射層來減少輻射熱傳導，所以采用夾層結構，利用5μm厚的鍍金聚酰亞胺膜起到反射作用，增加系統抗輻射性能。結果表明，Pathfiner的氣凝膠材料在火星表面CO2低氣壓環境下提供了理想的保溫隔熱效果，為系統節省了約為5kg質量。該應用實例也說明，雖然氣凝膠脆性較大，但是固定得當，氣凝膠結構也可以承受發射和著陸過程中巨大的沖擊。
Pathfiner隔熱裝置中的氣凝膠
1.2在火星高溫環境下應用
火星車進入火星大氣時，探測器會和大氣劇烈摩擦產生上千度高溫。針對著陸時熱防護，NASA開展極音速充氣氣動減速器（HIAD）研制工作。
其中，JADELCORSO等人開始探索其主要環節——柔性熱防護系統（FTPS），FTPS一般分為三層，由外至內分別為熱防護層、隔熱層、氣密層，其中的隔熱層主要采用氣凝膠，包括PI-POSS型聚酰亞胺氣凝膠，以及可耐1100 ℃高溫、纖維增強Pyrogel3350型SiO2氣凝膠等。國內北京空間機電研究所曹旭等設計的FTPS，隔熱層采用耐高溫織物與氣凝膠多層鋪設結構在熱沖擊試驗中，耐熱效果顯著。
2.空間同位素電源保溫
基于深空探測的惡劣自然條件以及對電源更高穩定性和耐久性要求，空間工作的供電系統性能決定著深空探測進程的發展。空間電源技術發展至今應用最為成熟的是同位素溫差電池（RTG）。在過去40年中，NASA有關地球軌道、月球、火星等太空船車載電力項目基本采用RTG。在空間工作過程中，RTG通過放射性同位素衰變產生熱能，同時利用余熱為熱控系統提供熱能，以在極低溫度條件下保護探測器。如何減少熱量散失損耗，以提高熱電轉換效率是其中RTG技術應用的關鍵問題。目前技術在真空條件中絕熱效果最好的多層絕熱（MLI）形式，其由反射膜和滌綸網組成的多層結構，不具有組裝性能，易引起系統漏熱。耐高溫氣凝膠材料真空、室溫熱導率可低至0. 001W/（m·K），且具有一定結構強度，能夠通過機械加工出溝、槽等結構，從而組裝形成異型結構，搭建完整的隔熱裝置。相比較于多層結構，氣凝膠材料更能有效地避免系統漏熱。因此RTG的隔熱主要采用氣凝膠材料。
RTG中的熱源氣凝膠保溫復合板
3.低溫儲箱保溫
低溫液體在空間中用途廣泛，隨著空間技術的發展，對于低溫液體儲存條件的要求越來越高，具有低密度、低導熱等特性氣凝膠在低溫液體儲存方面可以 做到更長壽命、更低損 耗。NASA將阿斯彭（Aspen）技術成熟的低溫氣凝膠氈和MLI聯合制成隔熱組件，這種低密度氣凝膠復合材料與MLI組裝有望成為一種滿足隔熱及相關空間性能需求的隔熱構件，它可以克服 MLI 目前面臨的問題：（1）組裝過程中容易破損；（2）價格高；（3）時間長性能退化。氣凝膠/MLI 組合結構可以提供一種可靠、性能優異的方案。
NASA肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center）及其低溫測試實驗室（Cryogenics Test Laboratory，CTL）研究了氣凝膠/MLI組合結構，并與MLI結構（0.3048 m厚，90層）在低溫，不同真空度條件下進行對比考察。
3種氣凝膠/MLI結構方案的熱導率變化曲線
結果表明低密度氣凝膠/MLI組合結構對隔熱性 能相對純氣凝膠氈有更明顯提升。在高真空條件下隔熱性能比 MLI 更優。另外，低密度氣凝膠/MLI 組合結構由于氣凝膠存在，可以對易損壞的MLI有一 定力學支撐作用。
4.星際宇航服保溫
在火星大氣環境下，傳統多層材料隔熱效果降低。而氣凝膠材料新型宇航服可適應真空或低壓大氣， 還具備傳統壓力服性能，因此氣凝膠材料是理想選 擇。約翰遜航天中心（JSC）著力于氣凝膠和MLI隔熱材料研究和應用，經過試驗驗證，在高真空環境下MLI比氣凝膠的熱導率更低，但二者都能滿足目 標熱導率 0. 005 W/（m·K），而在低真空環境下氣凝膠比MLI熱導率更低。
來源：[1]孟昊軒,常曉晶,艾素芬,邱家穩,劉佳.氣凝膠隔熱材料在空間探測領域研究與應用進展[J].宇航材料工藝,2023,53(01):13-20.
原文始發于微信公眾號（艾邦氣凝膠論壇）：氣凝膠隔熱材料在空間探測領域的研究與應用