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  很多現(xiàn)代通信衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、深空探測器以及將要被送上太空的韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的表面，都被一層金燦燦或者銀閃閃的薄膜覆蓋著。這種薄膜對航天器的安全起著至關(guān)重要的作用。很多人將其誤認(rèn)為是金箔或者是銀箔，實(shí)際上，這是一種名叫聚酰亞胺的高性能聚合物材料與金屬材料復(fù)合而成的薄膜。

  一位NASA戈達(dá)德太空中心的女工程師正在給美國“陸地衛(wèi)星計(jì)劃”中的一顆衛(wèi)星上的紅外傳感器設(shè)備鋪設(shè)“多層隔熱材料”（MLI）。MLI將在太空中保護(hù)敏感的星上設(shè)備，時期免遭高速微粒、劇烈溫度變化之苦。

始于洲際彈道導(dǎo)彈的貯存課題

  上世紀(jì)50年代后期到60年代，隨著大力神液體燃料洲際彈道導(dǎo)彈和民兵固體燃料洲際彈道導(dǎo)彈的崛起，美國解決了洲際彈道導(dǎo)彈從無到有的問題，而接踵而來的生存問題也隨著地下發(fā)射井的發(fā)展而得到了一定程度上的解決。最終，美國空軍開始把目光聚焦在洲際彈道導(dǎo)彈的壽命上來。

上面這張大力神2號導(dǎo)彈（編號395-C，美國空軍將其稱作395-Charlie）發(fā)射瞬間的照片恰好展示了她的兩個重要的特點(diǎn)：

第一，棕紅色的尾煙說明了美國終于開始轉(zhuǎn)為使用肼類燃料和四氧化二氮氧化劑這樣的常溫配置了。從大力神2號導(dǎo)彈開始，液氧煤油方案在洲際彈道導(dǎo)彈中逐漸成為歷史。

第二，大力神2號導(dǎo)彈是從導(dǎo)彈地下發(fā)射井內(nèi)點(diǎn)火升空的。這種方式極大地增強(qiáng)了導(dǎo)彈的生存能力和快速反應(yīng)能力。

民兵洲際彈道導(dǎo)彈以其快速反應(yīng)能力和較強(qiáng)的生存能力使其前輩被迫提前退役。而民兵導(dǎo)彈從I型到III型的不斷改進(jìn)和延壽就對導(dǎo)彈的材料提出了更高的要求。

實(shí)際上，對洲際彈道導(dǎo)彈的長壽命的研究從其入役伊始就啟動了。由此促成了4種塑料、橡膠等材料在洲際彈道導(dǎo)彈上的應(yīng)用：

1.酚醛類材料；

2.聚氨基甲酸乙酯；

3.異丁烯橡膠；

4.堿性環(huán)氧樹脂。

這些淡黃色的粘稠液體或者致密的涂層使得洲際彈道導(dǎo)彈在地下發(fā)射井內(nèi)的壽命得到了大幅延長。（民兵III型導(dǎo)彈的預(yù)期服役壽命被延長到了2030年。）

兩種超級材料的誕生

上世紀(jì)60年代，美國空軍、海軍和大量的航空航天研發(fā)單位都在苦苦尋求能夠進(jìn)一步提升飛行器性能的新型高分子材料。在這樣的背景下，杜邦公司推出了兩種超級纖維，一種叫做“聚對苯二甲酰對苯二胺”，這種材料的強(qiáng)度是同等重量下的鋼材的5倍（后來這種材料以她的商品名“凱芙拉”而為人所知），另一種就是本文的主角：聚酰亞胺。

凱芙拉的故事，小火箭將在后續(xù)的文章中詳談，而聚酰亞胺的故事，還是馬上開始吧！

上世紀(jì)6年代，杜邦的工程師將有機(jī)芳香四酸二酐和有機(jī)芳香二胺進(jìn)行反應(yīng)后的產(chǎn)物制成了聚酰胺酸溶液，然后經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗�，聚酰胺酸環(huán)化脫水，催生了聚酰亞胺的誕生。

這種材料剛一出現(xiàn)就表現(xiàn)出了極佳的性能：

優(yōu)異的機(jī)械性能：聚酰亞胺的密度是鋼材的6.89分之一，而其抗拉強(qiáng)度則很高。未增強(qiáng)的基體材料的抗拉強(qiáng)度在100 MPa 以上，用均酐制備的Kapton薄膜的抗拉強(qiáng)度則為170 MPa ,而聯(lián)苯型聚酰亞胺(Upilex S) 可達(dá)到400 MPa。也就是說，即使是早期版本的Kapton聚酰亞胺材料，其比強(qiáng)度也是鋼材的2倍以上。

突出的耐腐蝕性能：聚酰亞胺的抗氧化和抗腐蝕能力極強(qiáng)，一般的有機(jī)溶劑奈何不了她。

有些開掛的耐熱性能：聚酰亞胺制成的物品，可靠工作溫度在零下100℃到300℃之間。（小火箭不僅看了看手里能夠找到了塑料產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)，PP聚丙烯塑料，也就是常說的可以做微波爐加熱容器的塑料，其使用溫度范圍為零下20℃到120℃之間。）

聚酰亞胺剛一誕生，就成為了當(dāng)時世界上最耐熱的有機(jī)高分子材料，加上其不錯的機(jī)械性能，這個先天條件足夠使其在洲際彈道導(dǎo)彈領(lǐng)域發(fā)揮重要作用了。于是，上世紀(jì)60年代，以聚酰亞胺纖維改進(jìn)酚醛樹脂性能，用于洲際彈道導(dǎo)彈彈頭的研究和用聚酰亞胺來纏繞固體火箭發(fā)動機(jī)外殼的研究就開始入雨后春筍一般地開展了起來。

可惜，聚酰亞胺的出現(xiàn)還是晚了那么幾年。

從1958年波音拿到訂單到1967年4月份，這9年時間，波音生產(chǎn)并協(xié)助部署了整整1000枚民兵導(dǎo)彈。直接參與到民兵項(xiàng)目中的波音員工，前后多達(dá)39700人。

大量民兵導(dǎo)彈已經(jīng)被生產(chǎn)出來了，而且之前用的那些有機(jī)高分子材料的性能還是可以的。小火箭舉個例子：當(dāng)時實(shí)驗(yàn)室里能夠拿出的彈道導(dǎo)彈用聚酰亞胺材料，其熱穩(wěn)定溫度高達(dá)371℃，當(dāng)工程師們興奮地把結(jié)果公布并期待民兵導(dǎo)彈大量采用的時候，得到的答復(fù)是，原本的芳香錦綸的熱穩(wěn)定溫度已經(jīng)達(dá)到了204℃，沒有更換材料的迫切需求。

（值得注意的是，在上世紀(jì)60年代，在導(dǎo)彈和火箭領(lǐng)域，工程塑料的應(yīng)用已經(jīng)開始逐步變得廣泛，這一點(diǎn)要比航空領(lǐng)域領(lǐng)先得多。）

航天器熱控制的重要幫手

當(dāng)然，好東西一定會派上好用場的，是金子總會發(fā)光的，更何況聚酰亞胺本身就是一種金燦燦的材料呢。

上世紀(jì)60年代，阿波羅計(jì)劃正在如火如荼地進(jìn)行中。

公元1969年7月20日20時17分43秒，阿姆斯特朗登上了月球表面，然后說了“這是我的一小步，卻是人類的一大步”這句話。

不過，大家先別忙著看腿，請留意下圖的阿波羅登月艙的表面：

接受到陽光照射時，月球表面在白天的最高溫度可達(dá)123°C。 到了晚上，在登月艙外面，月球上的溫度會驟降至零下233°C。這樣的溫度差，普通材料是難以忍受的，而且還要伴著無時不刻不在轟擊著材料表面的輻射，另外還得撐過登月艙在月球發(fā)射時產(chǎn)生的羽流。

終于，聚酰亞胺被人記起，然后一上來就是向上圖那樣大量地應(yīng)用。

當(dāng)然，所謂“多層隔熱材料”（MLI）一定不是單純使用聚酰亞胺那么簡單。

MLI薄膜實(shí)際上是聚酰亞胺與鋁箔的結(jié)合體。

選用鋁來作為聚酰亞胺的隊(duì)友，其主要原因并不是鋁便宜，而是如小火箭給出的上圖那樣，鋁金屬對于波長從0.2微米到1.2微米的輻射都有著78%以上的反射率，表現(xiàn)比較穩(wěn)定。（雖然在0.82微米的近紅外波段有一個反射率低谷，不過整體表現(xiàn)良好。）而金、銀、銅對波長較短的輻射的反射率相對來說比較低。

哈，看來鋁這種金屬不愧為當(dāng)年拿破侖最為青睞的金屬！（在大部分貴族用銀餐具吃飯的時代，唯獨(dú)拿破侖鐘愛鋁餐具，并以此為榮，因?yàn)槟莻�時候，鋁制品的確是比銀制品還稀罕的物件。）

實(shí)際上，在很久以前，鋁是比金子還要貴重的。1889年，創(chuàng)造了元素周期表（讓化學(xué)課堂上的作業(yè)猛然多起來）的俄國科學(xué)家門捷列夫造訪倫敦。英國皇家學(xué)會的會員們實(shí)在難以抑制他們對門捷列夫的喜愛之情，籌集了巨款，為門捷列夫打造了一只鋁杯，并在他演講之后贈給了他。

不過，多層隔熱材料中，依然有著金、銀、鋁等多種金屬選擇。就看設(shè)計(jì)師傾向于選擇怎樣的性能指標(biāo)了。

2013年12月19日發(fā)射升空的蓋亞（Gaia）是歐空局的一顆大型太空望遠(yuǎn)鏡。蓋亞的任務(wù)是繪制一個包含約10億顆恒星（或者1%的銀河系恒星）在內(nèi)的三維星圖。在為其5年的預(yù)期壽命內(nèi)，蓋亞要對暗到20星等的天體進(jìn)行觀測。這些觀測數(shù)據(jù)對于人類發(fā)現(xiàn)更多的太陽系外的行星系統(tǒng)并精確測定其軌道參數(shù)（預(yù)計(jì)至少會測量1000顆行星），同時，還將用于更加深刻地理解廣義相對論。

在拉格朗日L2點(diǎn)上運(yùn)行的蓋亞面臨著零下200多攝氏度的低溫和超強(qiáng)太空輻射的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

為了應(yīng)對考驗(yàn)，聚酰亞胺又一次被拿來當(dāng)做保護(hù)傘了。上圖為蓋亞工作時的樣子。而下面兩圖則是她收起保護(hù)傘，進(jìn)入休息狀態(tài)時的樣子：

中國早在上世紀(jì)60年代就開啟了對聚酰亞胺的系統(tǒng)研究，并且正在努力進(jìn)入并保持先進(jìn)高分子材料第一梯隊(duì)的位置。

上圖為中國和巴西共同研制的中巴資源衛(wèi)星4號對地觀測衛(wèi)星。該衛(wèi)星的表面也包裹上了金光燦燦的MLI。

蘇聯(lián)、美國、歐空局都分別將火星探測器送上過繞火星的軌道，甚至做到了在火星表面軟著陸。但是，唯獨(dú)印度，至今保留著探測火星的100%的成功率：印度是第一個首次嘗試就成功將探測器送上繞火星軌道的國家。上面兩張圖均為印度的火星探測器拍攝的火星照片。

火星軌道探測器于印度標(biāo)準(zhǔn)時間2013年11月5日2:38 PM（9:08 UTC）在位于斯里赫里戈達(dá)島的薩迪什·達(dá)萬航天中心一號發(fā)射臺以 PSLV-XL C25 型火箭發(fā)射。2013年11月30日 19:19 UTC，火星軌道探測器發(fā)動機(jī)開動23分鐘進(jìn)入霍曼轉(zhuǎn)移軌道，離開地球軌道而進(jìn)入飛向火星的日心軌道。2014年9月24日，火星軌道探測器成功進(jìn)入火星軌道。詳細(xì)內(nèi)容見小火箭的印度火箭公號文章。而印度的火星探測器渾身上下也被MLI包裹著。

美國的火星勘測軌道飛行器上面也大量應(yīng)用了MLI。該飛行器基本上可以被看做是一顆繞著火星飛行的偵察衛(wèi)星。

2015年，給冥王星拍攝了第一張高清彩色“證件照”的新視野號深刻探測器上面，也是滿滿一層MLI。

MLI多層隔熱材料將有機(jī)高分子聚酰亞胺層與金屬層結(jié)合起來，起到了抵御輻射、改善航天飛行器熱環(huán)境的作用。

既然是多層、多種，那就就不一定會拘泥于原有的配方了。實(shí)際上，如今金色、銀色甚至是黑色的MLI都已經(jīng)達(dá)到了可以實(shí)用的成熟程度了。

環(huán)繞木星的朱諾探測器，看起來是銀閃閃的，而不是金燦燦的。

預(yù)計(jì)明年發(fā)射升空的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（哈勃望遠(yuǎn)鏡的后續(xù)計(jì)劃），其主要敏感的波長集中在紅外區(qū)域，因此對屏蔽紅外輻射干擾的要求非常高。因此她采用了巨大的MLI屏蔽傘。

這個大屏蔽傘由5層薄膜構(gòu)成。

日本的宇部興產(chǎn)公司對聚酰亞胺的研發(fā)也較早，并且有性能不錯的產(chǎn)品。

日本的聚酰亞胺薄膜也大量應(yīng)用在航天器中。（日本航天器的圖就不上了。）

工業(yè)用途廣泛

如今，對聚酰亞胺材料的研究正逐步深入，而相關(guān)的工業(yè)產(chǎn)品則層出不窮。上圖為在機(jī)械手的輔助下，工程師對聚酰亞胺薄膜進(jìn)行加工。

良好的絕緣性能和耐熱耐腐蝕性能使得聚酰亞胺成為高性能漆包線、繞包線的優(yōu)秀材料。

另外，美國推出的超聲速客機(jī)預(yù)研計(jì)劃中，新型的超聲速客機(jī)的飛行速度可達(dá)Ma 2.45以上。為了應(yīng)對長時間高速飛行帶來的高溫，新型聚酰亞胺纖維將在機(jī)翼和機(jī)體結(jié)構(gòu)中得到大量應(yīng)用。（預(yù)計(jì)每架飛機(jī)的使用量在25噸以上）

這是藝術(shù)家用不同顏色的MLI多層隔熱材料拼成的希臘國旗。

如今，聚酰亞胺與鋁結(jié)合而成的多層隔熱材料已經(jīng)被制成了急救毯，這種毯子能夠反射人體發(fā)出紅外線，有助于在緊急情況下維持體溫。

2015年11月，巴黎街頭，被襲擊的民眾披上了應(yīng)急救生毯。這種毯子有了一個昵稱——“太空毯”。

雖然民用產(chǎn)品通常只有80%的反射率，相對于航天器的MLI的97%的反射率來說，有些粗糙。但是相對于泰坦尼克號時代的毯子還是好用多了。

另外，目前市面上經(jīng)常能夠看到的“超細(xì)纖維毛巾”產(chǎn)品，其中也有采用聚酰亞胺的（通常是80%的滌綸+20%的聚酰亞胺）。

聚酰亞胺從洲際彈道導(dǎo)彈的延壽項(xiàng)目的背景中誕生，雖然錯過了在彈道導(dǎo)彈上的大量應(yīng)用的時機(jī)，但卻在航天器中大放異彩。民用化之后，聚酰亞胺在漆包線、耐熱電路中得到應(yīng)用，后來又出現(xiàn)在急救毯和某些毛巾中。

說了這么多，總之就是航天飛行器外表的那層金燦燦的東西是聚酰亞胺多層隔熱材料MLI而不是金箔。

通常的MLI里面沒有黃金。不過，要是給小火箭像上圖這么大一張，也是極好的。腦補(bǔ)一下，把這個縫到被子里，或許整個冬天都能睡得暖了。