嫦娥四号登月为什么要身披黄金甲呢?

时间过得很快,转眼间嫦娥四号在月球背面平稳着陆已经过去了一年,印度再一次宣布了他们新的登月计划。近日有好奇的小伙伴翻出旧照,突然注意到嫦娥四号月球着陆器全身都包裹着金灿灿的东西,像是披挂着黄金甲。于是向我抱怨,为什么美国的火星车都是素颜,而我们的探测器却要用黄金包起来,难道是图漂亮,或者为了显示咱不差钱?

嫦娥四号

其实不只是嫦娥四号,那嫦娥三号也有一袭金色的“盔甲”呢!

嫦娥三号

如果你是个天文爱好者,应该会说这人简直是大惊小怪。除了咱中国的月球着陆器,美国的阿波罗月球探测器从头到脚也都是包裹着金色的东西。

阿波罗11号

  • 黄金甲是金子做的吗?

正确答案:不是,那里边半点黄金都没有。

那它是什么?简单地说就它是一种塑料膜做成的毯子。

为什么探测器要包上塑料膜?为了美观吗?

比如说上面的阿波罗登月舱,它的里边是这样的:

阿波罗飞船内部

在包裹了许多金色薄膜后,科学家们还不得不在它的外面再蒙上一层灰色和黑色罩板,使它看起来棱角分明,以便之后在月球轨道上与指令舱的精确对接。登月舱与指令舱的对接是由宇航员目视加手动操作完成的,亮闪闪的金色在太空中会闪瞎眼睛酿成事故。

在金色薄膜的外边又加了一层

美观有时候其实是附带的效果,很多时候好端端的一颗卫星,被外面裹上这么一层,就像是一团揉皱的废纸,比如印度卫星这样的实在是跟美观不沾边。

印度卫星被杂乱地包裹着

  • 真正的原因与太空中的温度有关。

太空的温度是多少?

有人说是零度,有人说是绝对零度,还有人说太空中的温度是宇宙微波背景辐射的温度。

其实在真正的真空里是没有温度的,因为真空里什么物体都没有,自然就不存在温度。我们地球周围的太空中存在大量电磁波辐射(也就是阳光),所以你只要拿一支温度计来量温度,它很快就会被晒爆。这是光对温度计加热的结果。

国际空间站的宇航员有时需要进行出舱维修,或者安装一些新的设备。人们常常很羡慕这些太空人,觉得他们漂浮在太空中是一件很惬意很帅气的事,但从事过出舱工作的宇航员显然不这么看。他们的一个共同感受就是,他面向太阳的一面酷热难当,而背阴的一面则透心凉。

太空行走冰火两重天

为什么会这样?因为在地球附近的太空中没有空气阻挡太阳的热辐射,也不存在热对流,受到太阳照射的地方温度高达120℃,而阳光照不到的地方会降到-180℃左右。宇航员通过舱外航天服来调节温差,在太空中飞行的航天器和降落到月球上的着陆器也同样需要一套温度管理系统,以保证电子设备的正常运行。

  • “黄金甲”实际是一套隔热罩

我们知道镜子能反射光,同样也能反射大部分光所携带的热量,这是因为光子很难穿透镜子金属反射层表面的“电子海洋”。

科学家希望用一层金属箔将航天器覆盖起来,用来反射电磁波,从而将大部分的热阻隔在航天器之外。铝很轻,它对红外线几乎不透明,是一种理想的隔热材料。铝箔很脆,一碰就破,于是科学家希望用一种既轻薄、坚韧又耐高温的材料来强化铝箔,他们找到了聚酰亚胺。

聚酰亚胺是1955年发明的一种高分子材料,它可以承受的最高温度可达232°C,短时间704°C的温度差也不在话下;它透明度高、不易燃烧、耐油、不易被腐蚀;有相当出色的机械性能,不容易破裂。通过气相沉积的方法将铝镀在聚酰亚胺的表面,就能制成完美隔热薄膜。

聚酰亚胺和铝箔

聚酰亚胺本身是金黄色的,在其中一面镀上铝之后,就成为亮闪闪的金箔一样。

  • 聚酰亚胺隔热层的应用很广泛

大多数在太空中运行的航天器都需要用到它。正如前文所介绍的,阿波罗飞船上就大量使用了镀铝的聚酰亚胺来隔热。为了达成满意的效果,阿波罗飞艇的隔热层采用了好几层薄膜。

阿波罗飞船上的多层隔热膜

现在的航天器,包括嫦娥月球着陆器在内所采用的隔热材料也是聚酰亚胺,只是在每一层薄膜之间还加上了一层网状的高强度β布来将薄膜隔开,这样一方面可以取得更好的隔绝热辐射的效果,同时还能抵抗太空中微小颗粒物的撞击。

现代飞船的隔热毯更复杂一些

从这个角度看,尽管一点金子都没有,但聚酰亚胺膜以其优异的隔热效果和保护作用,完全无愧于“黄金甲”的称号。

除了用来制作刀枪不入的“金甲”,聚酰亚胺在航天器上还有很多用途,比如用它覆盖在电子器件的表面,可以起到很好的绝缘作用。除了用于内部线缆的绝缘层,国际空间站巨大的太阳能翼的表面也全涂上了聚酰亚胺,使得太阳能帆板看起来金光闪闪,煞是好看。之前也有人怀疑那是用黄金打造的呢!

国际空间站的金色太阳能帆板

  • 讲到这里,你应该明白了:

嫦娥三号和四号月球探测器,由于要在近似真空的环境下工作,为了抵抗强烈太阳辐射造成的巨大温度差(这与火星上有巨大的不同),不得不用一层隔热毯子将自己周身严密包裹起来,以保证其内部的精密电子元器件正常稳定地工作。

航天器内部不乏黄金制作的元件和镀金的接触点,当初美国人在伽利略号木星探测器巨大的伞状天线上就镀了一层黄金,结果这东西在发射的过程中因为振动摩擦发生冷焊,导致天线无法张开。

不是所有看起来金灿灿的东西都有黄金,航天器表面覆盖的隔热毯就是这样的例子,它其实就是金黄色的聚酰亚胺膜镀了一层铝,于是看起来像金子一样。当然啦,这种东西说起来简单,但制作成本高昂,它一点儿也不比金子便宜。

身披金甲的卫星

没办法,太空探索本身就是一项烧钱的事业,哪怕往太空撒一袋土豆,你没钱还真是做不到。