“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，取得了航天領域的巨大突破，也引起了全世界的關注。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，大氣層像保護罩一樣，可以讓地球的溫度穩定在一個能夠適應的范圍內，而航天器一旦沖出大氣層，就會在極高真空的環境下受到紫外線、高能粒子、原子氧等侵蝕。當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域，溫度則會降至100攝氏度以下，從而對內部儀器設備的正常運轉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控固體表面熱輻射的性質，從而達到熱控制的目的。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二十余種。這些材料能確保航天器各儀器設備在晝夜溫差達300攝氏度的環境中依然能夠正常運轉。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，從而使其被月球引力捕獲，在真空狀態下軟著陸，而這個過程只能靠7500牛頓變推力發動機的反推來實現。發動機工作時最高溫度可達1400多攝氏度，它周圍儀器設備的工作溫度卻需要維持在幾十攝氏度左右。因此，人們必須控制好兩者的溫度。發動機外圍的一條“裙子”解決了這一難題，這個由二十多層低發射率反射屏和低導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攝氏度的發動機與溫度低于100攝氏度的機外設備，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;“冷焊”是指在高真空狀態下金屬固體因表面失去所吸附的氣體而相互接觸時發生不同程度的黏結現象。“冷焊”與材料表面原子的擴散密切相關，所以在航天器的供電系統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且不易發生冷焊的陶瓷涂層，即可有效防止冷焊現象的發生，確保太陽能帆板在經過發射、奔月、著陸及兩器分離等加速、減速環節后的連接依然穩定可靠。即使在經歷長達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過多次變軌才能實現著陸。每次變軌，都是通過姿態控制發動機點火和推力室噴管產生反推力調整控制姿態來實現。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控制發動機采用了四氧化二氮和肼類燃料，點火時會形成高溫氧化環境，如果沒有高溫抗氧化涂層，推力室在很短的時間內就會被燒穿。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1300攝氏度的有氧環境下，硅化物首先被氧化，進而在涂層表面形成一層玻璃態氧化硅，有效隔絕進一步氧化，而且這個氧化硅在高溫下具有一定的流動性，還能自動彌補涂層氧化過程中所產生的裂紋、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。