薛淑艷，賈陽，張冰強，向艷超，戴承浩，王雪，鄭凱

1.北京空間飛行器總體設(shè)計部 空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094 2.北京空間飛行器總體設(shè)計部, 北京 100094

火星探測是人類對未知太空探索的熱點之一，具有十分重要的意義。2021年5月15日中國首輛火星車——“祝融號”登陸火星表面，并開展了火星表面巡視探測?；鹦潜砻鎼毫拥牡蜏卮髿猸h(huán)境為火星車的熱控設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)?；鹦潜砻鏈囟仍跇O區(qū)夜晚低至-128 ℃，在赤道中午回升至28 ℃，平均溫度約為-53 ℃。同時祝融號火星車沒有核源，僅依靠太陽能電池片將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，保證電子設(shè)備的正常工作，可用于艙內(nèi)電子設(shè)備低溫補償?shù)碾姽β史浅Ｓ邢蕖楸ＷC火星車艙內(nèi)的電子設(shè)備處于容許溫度范圍，迫切需要一種被動、高效的隔熱措施。

火星周圍還存在著稀薄及干冷的大氣，其主要成分為占比95.3vol%的CO，還包括少量的N、Ar、O、CO、HO等。火星表面的平均大氣壓約為700 Pa，且隨海拔高度不同有很大變化，如在最低的盆地處大氣壓力可達900 Pa，而在海拔最高處則僅為100 Pa。由于火星表面存在大氣環(huán)境，氣體的導(dǎo)熱和對流換熱方式直接影響著火星車熱控隔熱材料的選擇。基于真空環(huán)境的抑制輻射換熱的多層隔熱組件隔熱性能大幅下降。當(dāng)環(huán)境壓力增大到1 000 Pa時，多層隔熱組件的有效熱導(dǎo)率增大到0.047 W/(m·K)。

納米氣凝膠是一種超輕、隔熱性能優(yōu)異且適應(yīng)大氣環(huán)境的超級隔熱材料?！奥镁诱摺甭诬嚨碾娮釉叵?WEB)結(jié)構(gòu)板采用環(huán)氧玻璃，內(nèi)部充滿25～32 mm的20 kg/m的二氧化硅氣凝膠，導(dǎo)熱率在火星大氣環(huán)境(1 000 Pa，CO，24 ℃)下約為0.016 3 W/(m·K)。由于氣凝膠是半透明的，因此在氣凝膠中間放置一層5 μm 厚的鍍金聚酰亞胺膜以隔離輻射漏熱?！皺C遇號”和“勇氣號”采用的是一種性能更優(yōu)的0～25 mm滲碳氣凝膠，導(dǎo)熱率在火星大氣環(huán)境(1 000 Pa，CO，0 ℃)下約為0.012 W/(m·K)。

納米氣凝膠的缺點就是質(zhì)脆、易碎，容易產(chǎn)生多余物，機械性能差，需要進行封裝以適應(yīng)主動段及著陸段的力學(xué)沖擊?！奥镁诱摺甭诬囀褂闷桨?桁架結(jié)合的形式進行封裝，封裝結(jié)構(gòu)包括一組E-glass/epoxy結(jié)構(gòu)單元，每個小單元中都填充有低密度固體氣凝膠?！皺C遇號”和“勇氣號”則采用腔式面板-桁架結(jié)構(gòu)，大幅改善了氣凝膠的機械性能和可操作性。

雖然美國火星車已完成低密度納米氣凝膠工程上的成功應(yīng)用，但公開文獻報道中只有簡單結(jié)構(gòu)介紹及測試數(shù)據(jù)，無詳細應(yīng)用細節(jié)。中國鮮見低密度納米氣凝膠材料的工程應(yīng)用實例報道。艾素芬等和航天特種材料及工藝技術(shù)研究所成功制備了密度小于30 kg/m的工程尺度上的低密度納米氣凝膠材料，但要完成低密度納米氣凝膠隔熱材料在祝融號火星車的工程應(yīng)用，還需結(jié)合火星車的任務(wù)特點及保溫需求，解決以下難題：① 納米氣凝膠隔熱材料的封裝方式，解決多余物控制、與結(jié)構(gòu)一體化安裝、充排氣控制等難題；② 納米氣凝膠隔熱裝置環(huán)境適應(yīng)性驗證。

本文針對“祝融號”火星車任務(wù)特點及保溫需求，提出一種能適應(yīng)真空和火星大氣環(huán)境的新型、高效、輕質(zhì)納米氣凝膠隔熱裝置設(shè)計方法，采用在真空和火星大氣環(huán)境中導(dǎo)熱率極低的納米氣凝膠隔熱材料，通過封裝方式設(shè)計解決輻射漏熱隔離、力學(xué)性能增強、多余物控制、快速泄復(fù)壓等工程應(yīng)用難題，并對平板型試驗件進行熱性能測試及環(huán)境適應(yīng)性試驗驗證。

1 納米氣凝膠隔熱裝置設(shè)計

1.1 任務(wù)需求

根據(jù)火星表面低溫、低氣壓、弱光照及大風(fēng)的環(huán)境特點及無核熱源的工程約束，火星車的隔熱系統(tǒng)設(shè)計時采用納米氣凝膠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的適用于真空環(huán)境的多層隔熱組件，利用納米氣凝膠中的納米級孔隙抑制氣體對流，降低氣體導(dǎo)熱漏熱。納米氣凝膠雖然具有極低的氣態(tài)和固態(tài)熱傳導(dǎo)率，被認為是目前發(fā)現(xiàn)的隔熱性能最好的固體材料，但其質(zhì)脆、易碎、力學(xué)性能相對較差，火星車應(yīng)用時需要對納米氣凝膠進行封裝，即將其封裝在力學(xué)性能滿足要求的封裝結(jié)構(gòu)里面，并且要避免納米氣凝膠產(chǎn)生的多余物擴散泄漏。要實現(xiàn)納米氣凝膠在火星車上的工程應(yīng)用需滿足以下要求：① 真 空和火星大氣環(huán)境下具有良好隔熱性能；② 封 裝結(jié)構(gòu)要適應(yīng)力學(xué)環(huán)境要求；③ 多余物控制；④ 具有排氣功能，適應(yīng)主動段及火星大氣進入段的快速泄復(fù)壓環(huán)境。

1.2 納米氣凝膠隔熱裝置設(shè)計方法

納米氣凝膠隔熱裝置結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，由納米氣凝膠隔熱板、層壓玻璃板封裝結(jié)構(gòu)、緩沖材料、反射層及聚酰亞胺螺釘/螺母組成。將納米氣凝膠隔熱板分兩層、分區(qū)域放置在結(jié)構(gòu)板、凹形封裝結(jié)構(gòu)、L形封裝結(jié)構(gòu)及T形封裝結(jié)構(gòu)形成的封閉腔體中，實現(xiàn)納米氣凝膠隔熱板的封裝；兩層納米氣凝膠隔熱板之間鋪設(shè)反射層，減少紅外輻射漏熱；納米氣凝膠隔熱板與封裝結(jié)構(gòu)之間的間隙填充緩沖材料，阻止納米氣凝膠隔熱板產(chǎn)生的多余物外漏；通過膠粘固定于結(jié)構(gòu)板上的螺釘及螺母實現(xiàn)凹形封裝結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)板間的緊固。

圖1 納米氣凝膠隔熱裝置示意圖Fig.1 Schematic illustration of nano-aerogel thermal insulation device

1.2.1 隔熱性能設(shè)計

納米氣凝膠隔熱裝置傳熱途徑有4種：

1) 主導(dǎo)熱傳熱途徑：凹形封裝結(jié)構(gòu)→納米氣凝膠隔熱板→結(jié)構(gòu)板。

2) 封裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱漏熱途徑：凹形封裝結(jié)構(gòu)→L形封裝結(jié)構(gòu)→結(jié)構(gòu)板。

3) 輻射漏熱途徑：凹形封裝結(jié)構(gòu)→紅外透射穿過納米氣凝膠隔熱板→結(jié)構(gòu)板。

4) 緊固螺釘漏熱途徑：凹形封裝結(jié)構(gòu)→螺釘/螺母→結(jié)構(gòu)板。

對于主導(dǎo)熱傳熱途徑，采用艾素芬等制備的超低密度納米氣凝膠隔熱板作為隔熱材料，1 400 Pa、CO氣氛環(huán)境、25 ℃時厚度方向的熱導(dǎo)率約為0.006 9 W/(m·K)，厚度14.5 mm，密度為29～30 kg/m，可根據(jù)設(shè)計需求機械加工成不同形狀。

對于封裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱漏熱途徑，封裝結(jié)構(gòu)采用低熱導(dǎo)率的層壓玻璃板復(fù)合材料，厚度為0.4 mm，并將凹形封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計為鋸齒狀，如圖2 所示，在滿足力學(xué)要求的前提下盡量減小凹形封裝結(jié)構(gòu)與L形封裝結(jié)構(gòu)間的膠結(jié)面積。

對于輻射漏熱途徑，納米氣凝膠隔熱板具有紅外透射特性，為隔離紅外輻射漏熱，兩層隔熱板間鋪設(shè)一層低發(fā)射率的反射層，反射層材料選用25 μm雙面鍍金聚酰亞胺打孔膜，發(fā)射率為0.03。

對于緊固螺釘漏熱途徑，采用低熱導(dǎo)率的聚酰亞胺螺釘/螺母。

圖2 凹形封裝結(jié)構(gòu)Fig.2 Concave encapsulation structure

1.2.2 力學(xué)性能設(shè)計

采用盒蓋式封裝結(jié)構(gòu)增強力學(xué)性能，由結(jié)構(gòu)板、L形封裝結(jié)構(gòu)、凹形封裝結(jié)構(gòu)形成盒式封閉空間，T形封裝結(jié)構(gòu)位于盒式封閉空間內(nèi)部，將封閉空間劃分成適應(yīng)納米氣凝膠隔熱板尺寸的不同區(qū)域，并對納米氣凝膠隔熱板進行左右移動限位。封裝結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)板之間、封裝結(jié)構(gòu)之間的連接采用膠結(jié)方式。

采用聚酰亞胺螺釘/螺母用于封裝結(jié)構(gòu)的強化緊固。螺釘通過膠粘于結(jié)構(gòu)板上，穿過不同區(qū)域納米氣凝膠隔熱板間的空隙及凹形封裝結(jié)構(gòu)，通過擰緊螺母實現(xiàn)凹形封裝結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)板間的強化緊固。

1.2.3 多余物控制

采用封裝結(jié)構(gòu)將納米氣凝膠隔熱板封裝在盒式封閉空間內(nèi)，并在盒式空間內(nèi)部間隙利用3 mm 厚的聚氨酯泡沫進行多孔迷宮過濾，以阻隔多余物，同時具有緩沖和透氣功能。

1.2.4 排氣設(shè)計

納米氣凝膠隔熱裝置需具充排氣功能，避免飛行及試驗過程中由于內(nèi)外壓差過大造成裝置結(jié)構(gòu)破壞。充排氣設(shè)計如下：① 納米氣凝膠隔熱板為多孔材料，具有透氣性；② 反射層采用打孔膜；③ 緩沖材料為泡沫材料，具有透氣性；④ 凹形封裝結(jié)構(gòu)上開設(shè)一定量的排氣孔，排氣孔密度為100 mm×100 mm范圍內(nèi)布置不少于2個排氣孔，孔的直徑為1 mm。

2 納米氣凝膠隔熱裝置性能驗證

2.1 熱性能驗證

2.1.1 試驗方法

納米氣凝膠隔熱裝置熱性能試驗參考全包覆型平板試件的熱性能測試方法，采用在加熱板及試件邊緣增加防護板的方式減少邊緣熱損失。該方法獲得的總導(dǎo)熱系數(shù)為

(1)

式中：為平板試件的厚度；為熱邊界溫度；為冷邊界溫度；為施加到納米氣凝膠隔熱裝置的熱流，為加熱板施加電功率減去護板、電纜等漏熱功率；為平板試件的面積。

2.1.2 試驗測試系統(tǒng)

熱性能試驗測試系統(tǒng)由真空容器、密封罐、抽真空系統(tǒng)、氣體壓力控制系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、試驗件控溫系統(tǒng)、密封罐控溫系統(tǒng)組成。試驗件通過Kevlar纖維吊掛在密封罐的端蓋上，見圖3。

模擬真空環(huán)境時，氣體壓力控制系統(tǒng)的閥門關(guān)閉，通過抽真空系統(tǒng)將真空容器及密封罐內(nèi)的壓力控制在10Pa以下。模擬氣氛環(huán)境時，關(guān)閉密封罐與抽真空系統(tǒng)連通的閥門，氣體壓力控制系統(tǒng)的閥門打開，將密封罐內(nèi)穩(wěn)定維持在設(shè)定的壓力。模擬二氧化碳氣氛時，通過密封罐控溫系統(tǒng)將密封罐控制在-120 ℃以上，防止二氧化碳氣體出現(xiàn)凝結(jié)。

圖3 熱性能試驗測試系統(tǒng)Fig.3 Thermal performance test system

熱性能測試過程如下：待密封罐內(nèi)氣體壓力控制在工況設(shè)定壓力后，試驗件控溫系統(tǒng)將試驗件控溫參考點溫度控制在工況設(shè)定的溫度，并達到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄穩(wěn)態(tài)時試驗件控溫系統(tǒng)施加的電流，根據(jù)焦耳定律計算得到施加到試驗件的電功率。溫度測量系統(tǒng)記錄穩(wěn)態(tài)時試驗件溫度測量點的溫度數(shù)據(jù)。根據(jù)護板及電纜的溫度數(shù)據(jù)計算評估護板及電纜漏熱功率，進而得出施加到納米氣凝膠隔熱裝置的熱流，根據(jù)式(1)計算得到納米氣凝膠隔熱裝置的總導(dǎo)熱系數(shù)。

2.1.3 試驗件

試驗件設(shè)計狀態(tài)如圖4所示，實物狀態(tài)如圖5 所示。2塊納米氣凝膠隔熱裝置位于兩側(cè)，中間為加熱板，加熱板與待測納米氣凝膠隔熱裝置之間進行等間距控制，采用非接觸輻射加熱方式，避免直接接觸加熱時因材料低導(dǎo)熱特性導(dǎo)致的溫度不均勻問題。四周使用4塊高強度低熱導(dǎo)率納米氣凝膠護板控制邊緣漏熱，護板與納米氣凝膠隔熱裝置間使用低熱導(dǎo)率的聚酰亞胺螺釘進行裝配，并墊2 mm聚酰亞胺隔熱墊。試驗件通過低熱導(dǎo)率的Kevlar纖維吊掛在空間模擬器內(nèi)，加熱板與護板之間在吊點處各墊一個4 mm厚的聚酰亞胺墊片，以減少吊掛裝置引入的漏熱影響。加熱板、納米氣凝膠隔熱裝置封裝結(jié)構(gòu)側(cè)(熱邊界)和結(jié)構(gòu)半側(cè)(冷邊界)以及護板兩側(cè)均布置溫度測點。為減小及評估電纜的漏熱損失，電纜包覆多層隔熱組件，并布置溫度檢測點。

圖4 熱性能試驗試驗件示意圖Fig.4 Schematic illustration of thermal performance test module

圖5 熱性能試驗試驗件Fig.5 Thermal performance test module

2.1.4 試驗結(jié)果及分析

分別測試了試驗件在真空環(huán)境、(1 400±50) Pa 二氧化碳氣氛環(huán)境、(1 400±50) Pa 氮氣氣氛環(huán)境下-80 ℃、-40 ℃及25 ℃的熱性能參數(shù)，試驗測試結(jié)果如圖6所示。隨測試溫度升高，納米氣凝膠隔熱裝置熱導(dǎo)率增大。相同溫度條件下，真空環(huán)境熱導(dǎo)率最小，氮氣環(huán)境熱導(dǎo)率最大。納米氣凝膠隔熱裝置在1 400 Pa、二氧化碳氣氛環(huán)境下，25 ℃時的熱導(dǎo)率約為0.008 0 W/(m·K)。在相同條件下，納米氣凝膠隔熱板的熱導(dǎo)率約為0.006 9 W/(m·K)，封裝結(jié)構(gòu)的漏熱導(dǎo)致納米氣凝膠隔熱裝置的熱導(dǎo)率增大了約16%。

圖6 熱性能試驗結(jié)果Fig.6 Results of thermal performance test

2.2 環(huán)境適應(yīng)性驗證

2.2.1 力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性驗證

力學(xué)性能是納米氣凝膠隔熱裝置完成火星車工程應(yīng)用的重要因素。按探測器經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境特點及量級，對納米氣凝膠隔熱裝置開展了沖擊試驗、隨機與正弦振動試驗，試驗狀態(tài)如圖7所示。力學(xué)試驗完成后對納米氣凝膠隔熱裝置封裝結(jié)構(gòu)外觀進行了檢查，發(fā)現(xiàn)封裝結(jié)構(gòu)完好，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖7 力學(xué)環(huán)境試驗狀態(tài)Fig.7 Mechanical environment test status

2.2.2 泄壓環(huán)境適應(yīng)性驗證

為適應(yīng)主動段外部壓力驟降環(huán)境，對納米氣凝膠隔熱裝置進行了排氣設(shè)計，為驗證排氣性能是否滿足設(shè)計要求開展了泄壓試驗驗證。納米氣凝膠隔熱裝置水平放置在空間環(huán)境模擬器內(nèi)，空間環(huán)境模擬器內(nèi)壓力按長征五號運載火箭整流罩內(nèi)壓設(shè)計帶的內(nèi)壓下限進行模擬，最大壓降速率約為6.9 kPa/s，通過攝像設(shè)備觀察納米氣凝膠隔熱裝置在泄壓過程中外觀變化情況。試驗件狀態(tài)見圖8。

泄壓試驗中最大壓降速率約為7.7 kPa/s。試驗過程中，納米氣凝膠隔熱裝置的凹形封裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯鼓脹現(xiàn)象，壓降速率越大，鼓脹現(xiàn)象越明顯，待壓力泄至10 Pa時恢復(fù)原狀。試驗完成后封裝結(jié)構(gòu)完好，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖8 泄壓試驗狀態(tài)Fig.8 Pressure relief test status

2.3 環(huán)境適應(yīng)性試驗后熱性能復(fù)測

在納米氣凝膠隔熱裝置經(jīng)歷力學(xué)環(huán)境試驗及泄壓試驗后，開展了真空環(huán)境及二氧化碳氣氛環(huán)境的熱性能測試。環(huán)境試驗前后熱性能測試結(jié)果如表1所示，可見環(huán)境試驗前后熱導(dǎo)率沒有明顯變化，表明納米氣凝膠隔熱裝置的力學(xué)性能和排氣性能均滿足設(shè)計和任務(wù)需求。

表1 環(huán)境試驗前后熱性能測試結(jié)果

3 應(yīng)用及在軌性能

3.1 納米氣凝膠隔熱裝置在火星車應(yīng)用

火星車納米氣凝膠隔熱裝置由7塊組成，分別位于火星車頂板、側(cè)板、底板和鞍形件朝向艙內(nèi)一側(cè)，通過膠結(jié)的方式安裝在火星車結(jié)構(gòu)板和鞍形件上，如圖9所示，每一塊納米氣凝膠隔熱裝置根據(jù)結(jié)構(gòu)板構(gòu)型設(shè)計相應(yīng)的形狀及尺寸。在納米氣凝膠隔熱裝置表面粘貼一層低發(fā)射率單面鍍金聚酰亞胺膜，減小火星車內(nèi)高溫設(shè)備與納米氣凝膠隔熱裝置的輻射換熱。祝融號火星車整套納米氣凝膠隔熱裝置質(zhì)量為5.95 kg，僅占火星車總質(zhì)量的2.5%。

圖9 火星車納米氣凝膠隔熱裝置布局Fig.9 Layout of nano-aerogel thermal insulation device on Mars rover

3.2 在軌性能

“祝融號”火星車自2021年5月15日實現(xiàn)火星表面軟著陸后，已在火星表面成功完成90個火星日的科學(xué)探測任務(wù)，成功實現(xiàn)火星表面生存，正在進行拓展任務(wù)。在火星表面科學(xué)探測期間，火星車處于火星大氣環(huán)境，安裝有納米氣凝膠隔熱裝置的艙板內(nèi)外側(cè)溫度變化曲線如圖10所示，在火星表夜間無太陽外熱流加熱時，艙板內(nèi)外兩側(cè)溫差最大達53.8 ℃，艙內(nèi)側(cè)溫度在-28 ℃以上，保證了艙內(nèi)設(shè)備在零加熱功率補償下，溫度仍處于允許的溫度范圍內(nèi)。

圖10 艙板內(nèi)外兩側(cè)溫度變化曲線Fig.10 Temperature variation curves of deck inside and outside with time

4 結(jié) 論

提出了一種新型、高效、輕質(zhì)納米氣凝膠隔熱裝置設(shè)計方法。

1) 將在真空和火星大氣環(huán)境中熱導(dǎo)率極低的超低密度納米氣凝膠隔熱材料采用基于低熱導(dǎo)率復(fù)合材料的盒蓋式局部支撐封裝、多孔迷宮過濾、反射屏輻射隔離、開設(shè)排氣孔的組合設(shè)計，解決了力學(xué)性能增強、多余物控制、輻射漏熱隔離、快速泄復(fù)壓等工程應(yīng)用難題。

2) 測試了納米氣凝膠隔熱裝置的隔熱性能，1 400 Pa、CO氣氛、25 ℃時納米氣凝膠隔熱裝置總導(dǎo)熱系數(shù)低至0.008 0 W/(m·K)。

3) 力學(xué)環(huán)境及快速泄壓環(huán)境適應(yīng)性試驗驗證了納米氣凝膠隔熱裝置力學(xué)性能、排氣性能滿足祝融號火星車環(huán)境使用要求。

4) 火星車納米氣凝膠隔熱裝置質(zhì)量為5.95 kg，僅占火星車總質(zhì)量的2.5%。

在軌數(shù)據(jù)表明，納米氣凝膠隔熱裝置有力保障了火星車艙內(nèi)設(shè)備的正常工作和有效探測，所得結(jié)論可為后續(xù)有大氣環(huán)境航天器的隔熱設(shè)計提供參考。