在火星上实现高效收集太阳能

近日，国家航天局发布我国首次火星探测“天问一号”任务探测器着陆过程两器分离和着陆后火星车拍摄的影像，照片中黑色的圆形部件就是太阳能集热器，它的使命是在火昼期间高效收集太阳辐射的热量并存储起来，以保证巡视器夜晚热量供应的重要责任，而由510所研制的光学组件和吸热涂层则是太阳能集热器的重要组成部分。

太阳能集热器的特殊“窗户”

光学组件相当于太阳能集热器的“窗户”，简单概括其三大功能就是密封、透光和防尘，其中最主要的任务是保证太阳光高效透射到吸热板上。火星复杂的环境和本次任务的需求对“窗户”的材质提出了很高的要求，需要同时满足透光率高、重量轻、耐冲击性能好、拉伸强度高、表面防尘等要求。

为解决国外进口限制、国内研制困难的严峻形势，510所研制团队基于数十年在空间表面工程技术方面的经验，与国内优势单位合作，历时一年多，联合开发出了适用于火星应用环境的特种薄膜材料。解决了“窗户”的基材，研制团队还给这层窗膜增加了一层“防护装甲”。他们采用真空镀膜的方式，在窗膜表面镀制了一层透明导电膜。这种膜层与电子产品触摸屏上的导电膜类似，具有高透光、导电防尘以及耐划功能，使得“窗户”更加地坚固。

火星探测不但需要面对低气压、微重力、高低温、空间辐射等恶劣环境，还需要解决我国空间探测首次面对的恶劣的风沙环境。为了充分验证光学组件的性能，研制团队设计开展了针对火星特殊风沙环境的风洞吹沙试验和野外长期暴露试验。研制团队结合历次火星探测试验数据的基础上，对火星车所处环境的风沙情况进行模拟计算，得出光学组件所处环境的风沙情况，然后依照此参数在地面风洞环境设定等效的条件，进行吹沙试验。

为了进一步研究光学组件长期暴露在火星表面各类恶劣环境因素协同作用下的功能变化情况，作为光学组件吹沙摸底试验的补充，研制团队选取了敦煌库姆塔格沙漠和民勤青土湖沙漠观测站两处野外试验场地，在极端恶劣的环境下开展为了长达135天的野外长期暴露试验，不但验证了光学组件的优异性能，还积累了大量的珍贵数据。

火星车上的太阳能“收集器”

光学组件是保证太阳光高效透射到吸热板上，吸热涂层则是用来吸收透过光学组件的太阳能，并把它存储下来，它们共同作用，以保证“白天多吸收，晚上少损失”。

吸热涂层需要直接采用磁控溅射的方法镀制在火星车吸热板表面，任务的难点在于涂层的膜系结构设计和真空镀膜工艺。吸热涂层是镀制在吸热体表面、能将可见光-近红外光波段内太阳辐射能量吸收转化成热能，而在红外波段具有低热发射比特性的功能涂层。

研制团队在对任务指标进行计算和分析后，设计出了多层渐变复合膜系的结构，能够同时满足超高吸收率和超低发射率的指标要求。通过反复试验，综合考虑工艺稳定性、膜层附着力、镀膜温度等因素，最终得到了最佳的膜系结构，有效解决了吸热涂层设计的难题。

解决设计上的理论难题只是工程实现的第一步。确定设计方案后，研制团队又马上遇到了新的难题。如何实现吸热涂层的镀制。一是吸热板面积大，薄膜厚度均匀性要求高；二是吸热板不能承受高温，要在低温下实现高质量膜层的镀制，难度极大。面对这些困难，研制团队迎难而上，通过大量实验，一步步探索工艺，一个个解决问题。通过专用镀膜设备改造，解决大面积均匀性控制难题；通过专用镀膜工装和掩膜工装设计，实现镀膜区域精确控制；通过引入离子束辅助工艺，在低温下实现了高性能涂层的沉积；通过温度传感器和专用降温工装设计，实现了大面积沉积过程中各部位温度实时监测。这其中每项改进的成功，都是建立在无数次失败的基础上，都是研制团队无数汗水的结晶。

兰州日报社全媒体记者 张万宏/文

文章来源：《太阳能学报》 网址: http://www.tynxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0616/1189.html