比翱观察丨前往火星？先把这批新型太空材料干完！

 

和飞往月球是一回事，漂亮的太空材料的最新进展能帮助我们到达火星，甚至建立行星际文明吗？

 

“This is space. It does not cooperate”。这句话出自《火星人》中搁浅的宇航员马克·沃特尼之手，概括了航天工业新时代的挑战以及美国宇航局领导的返回月球和火星之旅，即著名的阿尔特米斯计划。

 

火星人证明 — — 至少通过文学和电影证明 — — 航天器在太空中飞行的距离越远，乘员维修、加油或调整航天器的机会就越少。沃特尼必须克服几个障碍才能最终返回地球，特别是以一些非传统方式利用现有资源和工具在火星上生存。

图片来源：Dottedhippo / Getty 

当然，这只是一部电影，但它说明了为减轻宇航员完成任务并安全回家所需的艰苦太空旅行所需的极端措施。那么，为什么马克·沃特尼的生存如此困难，为什么我们要为遥远的太空建造如此具有挑战性呢？

 

承受空间的极端

从根本上说，太空是一个极端领域，从温度（+288°C至-101°C的冷热循环）到超高真空（即实际上为零压力）环境。然后是速度惊人的微型陨石— —本质上是微小的太空尘埃颗粒，以大约72公里/秒的速度行进，比地球上的声速快几十倍。用于航天器和太空旅行的材料没有可用的大气保护层来庇护它们。如果微陨石以超高速撞击航天器的表面，它会导致太空材料出现微裂纹，最终导致航天器部件故障。例如，国际空间站(ISS)报告了飞溅的微小油漆片对窗户造成损坏的事件。 

美国宇航局阿波罗任务中用于隔热罩的玻璃纤维蜂窝填充聚合物树脂示例。
图片来源：Steve Jurvetson / Flickr

微陨石本质上是微小的太空尘埃颗粒，其传播速度比地球上的声速快数十倍。

 

为了防止此类碎片，可以在航天器中添加屏蔽材料。双子座和阿波罗任务采用了由玻璃纤维蜂窝填充聚合物树脂制成的隔热罩，而据报道，SpaceX的龙飞船使用树脂浸渍的碳纤维作为隔热罩材料。还开发了多组分抗冲击材料，由安装的铝和防弹Kevlar层与树脂粘合而成，以减少小碎片的渗透。然而，修复这些多组件设计一直是一个问题。在许多情况下，此类复合材料或涂层中使用的树脂或聚合物粘合剂是永久固化的，因此任何损坏都无法逆转或修复。唯一的解决方案是更换整个结构，这太昂贵并且在空间上具有挑战性。

 词汇注释玻璃纤维蜂窝填充聚合物树脂：让我们把它分解一下！聚合物是由许多重复的亚单元结合在一起制成的物质。在这种情况下，聚合物形成树脂，一种在紫外线或加热下会变成固体的粘性液体，并与玻璃纤维混合，玻璃纤维是一种玻璃增强塑料。蜂窝是指材料的规则物理结构（见图）。 树脂浸渍碳纤维：这里的“碳纤维”是指含有由碳制成的细小毛发状纤维的织物。碳纤维增强聚合物是用微小的碳纤维增强的塑料，有点类似于玻璃纤维（见上文）。用树脂“浸渍”聚合物可制成更耐用的材料。 

带我们去火星的太空材料

太空探索的新时代将看到人类乘员进行与火星人相同的星际旅行，将科幻概念转化为现实。

 

火星距离地球的最小距离是6200万公里。这是月球距离的200多倍。为了以最大的成功机会派遣机组人员踏上这趟旅程，我们必须将电子小型化和自动化与先进的多功能材料相结合，以突破太空旅行的界限。

 火星与地球的最短距离约为6200万公里。这是月球距离的200多倍。

你必须试着想象未来的航天器将包括动态特性，如自我保护（自我修复的能力）、可回收性和多功能性，以及新材料和设计范例，使其能够支持适应其旅程的飞船。

 

太空材料的瘦身

挑战是显而易见的。航天器设计始终以重量轻为目标，同时保持强度、安全性和耐久性。例如，美国宇航局在1982年3月的STS-3号航天飞机任务中使用了第一个轻型推进剂罐。这使它比以前的任务减轻了272公斤。随着时间的推移，这种重量进一步显著降低 —— 1998年6月，和平号航天飞机最后一次任务STS-91中使用的超轻外部推进剂罐与之前任务中使用的推进剂罐尺寸相同，但重量较轻3400千克。轻型航天器可以使用更小、更高效的发动机和更少的燃料，这直接转化为显著的成本节约。

碳纳米管的分子结构，可能是新太空材料的组成部分。图片来源：Arnero / Wikimedia Commons 

碳纤维或碳纳米管增强聚合物复合材料(CFRP)等混合材料复合材料有望在不牺牲强度的情况下将重量降低三倍，从而显著改善金属合金。例如，“毅力号”火星漫游车的着陆甲板面板是使用由领先的碳纤维供应商Toray制造的碳纤维预浸料（树脂预浸渍）制备的。现在著名的火星直升机Ingenuity的旋翼桨叶和支腿由碳纤维CFRP制成；整个结构仅重1.8公斤。

 

词汇注释

碳纳米管增强聚合物复合材料：碳纳米管是通过卷曲石墨烯片（一种1纳米厚的碳）形成的微小管子。这些纳米管非常坚固并且在高温下保持稳定。使用碳纳米管来增强聚合物（见上文）创造了一种轻质但仍然坚固的材料。

美国宇航局的超轻型火星直升机Ingenuity的旋翼叶片和支腿由碳纳米管增强聚合物复合材料（CFRP）制成。图片来源：NASA

受生物学启发的自愈航天器

自保护航天器将包括自修复塑料、复合材料、金属或陶瓷等材料。这些将克服由于微裂纹、裂纹或其他类型的机械故障造成的任何结构损坏。

 

词汇注释

微裂纹：在材料表面或内部形成的微小（微米级）损伤。由于它们太细微，微裂纹造成的损坏通常用肉眼看不到。

裂纹：在材料表面形成的细裂纹网络。

为了为这项工作提供信息，我们正在学习生物愈合系统，例如在人体中发现的系统— —但太空中的自愈材料需要在比治愈人类皮肤伤口所需的时间短得多的时间范围内对损伤做出反应。

 

例如，航天器的结构部件可以用含有自主自修复剂的微胶囊和中空微纤维制成，一旦发生机械裂缝或其他损坏，它们就会渗出。这种机制模仿人体的血管系统，将血小板运送到受伤部位以止血。评估这些自修复材料的适用性仍然需要开展工作— —包括对它们如何受到辐射、温度波动和真空效应的影响进行严格、细致的研究。

词汇注释

超细纤维：一种非常细的合成纤维或纱线。

比自我修复更好的是首先避免伤害。突破性材料只有一个原子厚（也称为二维纳米材料），例如石墨烯，在实验冲击试验中已经证明了对微弹具有非凡的能量吸收和耗散效率。这些试验让我们了解材料如何抵抗太空中的微陨石。一些二维纳米材料的阻止能力是凯夫拉（Kevlar）的两倍，是钢板的十倍左右。

 太空探索的新时代将看到人类乘员进行与火星人相同的星际旅行，将科幻概念转化为现实。

用这些材料的混合材料制造航天器将提供高屏蔽效率和自我修复功能，确保未来受困的宇航员能够安全回家。

 

空间材料的未来

虽然材料制造和开发以及新的工程方法正在取得重大进展，但人类对月球和火星进行星际探索的道路上仍然存在许多挑战。

 

我们不断研发用于屏蔽宇宙辐射、超可靠电源的先进材料；自适应、自愈的航天器结构部件；以及高度灵活和灵敏的传感器和执行器。例如，SpaceX的DragonEye配备了激光成像检测和测距(LIDAR)传感器，可用于创建行星表面的高分辨率地图和控制自动驾驶火星车的导航。DragonEye激光雷达传感器可以提供从航天器到国际空间站的距离和方位信息的3D图像。

 “Space is for everybody.”- Christa McAuliffe 

很明显，在开发高效、自主、自愈、自适应、轻质和多功能材料以帮助实现我们的太空旅行目标方面存在许多机遇和挑战。

 

在未来的马克·沃特尼将这些材料部署到火星之前，我们就可以在地球上开发和使用这些材料，这使得它们的价值更大。我们正在努力创造能够经受住不合作太空空间严酷考验的材料— —想象一下它们在地球上的用途。

 

这次引用一位真正的宇航员的话，已故但仍然鼓舞人心的克里斯塔·麦考利夫：“太空适合所有人，它不仅适用于科学或数学领域的少数人，也适用于精选的宇航员群体。那是我们在那里的新领域，每个人都应该了解太空。”

 

原文来源于COSMOS，作者Nisa Salim博士/26 November 2021

多孔材料与人工结构物理特性表征与验证技术领先者

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