研制人員正在檢查設(shè)備 受訪者供圖
一個(gè)要在天上“玩火”，一個(gè)要在天上“煉丹”，中國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙中這兩個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜堪稱最火熱的一對(duì)——燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。
(相關(guān)資料圖)
日前，實(shí)驗(yàn)柜主任設(shè)計(jì)師等研制人員向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》揭秘了夢(mèng)天艙如何點(diǎn)燃太空中最熱的一把火。
1600度的“煉丹爐”
1600℃！這是夢(mèng)天艙高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的最高工作溫度，也是國(guó)際空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙能夠達(dá)到的最高溫度。
銅的熔點(diǎn)是1085℃、單晶硅是1410℃……實(shí)驗(yàn)柜的工作溫度越高，能研究的范圍就越大，出現(xiàn)變革性成果的可能性也越大。在太空中做材料科學(xué)研究，幾乎是每一位材料學(xué)家的夢(mèng)想。
“空間站的重力只有0.001～0.000001個(gè)加速度，很可能出現(xiàn)地面無(wú)法制備的材料。”中科院上海硅酸鹽研究所研究員、高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師劉學(xué)超表示。
但中國(guó)科學(xué)家要實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想?yún)s不易。在國(guó)際空間站上，美國(guó)命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙最高工作溫度達(dá)到1400度、歐洲哥倫布號(hào)1400度、日本希望號(hào)1600度、俄羅斯科學(xué)號(hào)1200度。
“過(guò)去我們沒(méi)有資源，現(xiàn)在有了很好的機(jī)會(huì)，我們?cè)诹㈨?xiàng)時(shí)就確定，所有技術(shù)指標(biāo)不低于國(guó)際空間站同類裝置。”劉學(xué)超說(shuō)。
他們說(shuō)到做到，目前，高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜一系列指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先：溫度穩(wěn)定度達(dá)到正負(fù)0.2℃、自動(dòng)化樣品數(shù)量為16支、首次采用X射線實(shí)時(shí)觀察。
一次性批量處理16支樣品打破了日本希望號(hào)GHF材料實(shí)驗(yàn)裝置15支的記錄。這意味著，航天員掛上16支樣品之后，幾個(gè)月都不需要進(jìn)行任何操作，實(shí)驗(yàn)柜將自主完成所有實(shí)驗(yàn)，大大提高效率和精度。
中科院上海硅酸鹽研究所副研究員、高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主管設(shè)計(jì)師張明輝表示，批次實(shí)驗(yàn)有點(diǎn)像“左輪手槍的彈匣”，依次輪轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；而對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)拍照的CCD相機(jī)則像是“太上老君的童子”，時(shí)刻守護(hù)著“煉丹爐”。
據(jù)了解，為了提高空間實(shí)驗(yàn)成功率，科學(xué)家在地面進(jìn)行了大量匹配實(shí)驗(yàn)，和空間實(shí)驗(yàn)的比例達(dá)到95:5。臺(tái)上一分鐘，臺(tái)下十年功。張明輝說(shuō)：“我們這里是天上一次加熱實(shí)驗(yàn)，地面千錘百煉。”
多重手段確保絕對(duì)安全
“去空間站玩火是不是太危險(xiǎn)了？”從夢(mèng)天艙燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜立項(xiàng)第一天，這樣的質(zhì)疑就不絕于耳。
但是，燃燒現(xiàn)象同人類生活息息相關(guān)，空間燃燒實(shí)驗(yàn)更是有望產(chǎn)生重大科學(xué)成果，也是全球熱點(diǎn)方向。
中科院工程熱物理研究所研究員、燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師鄭會(huì)龍表示，在太空去除了對(duì)流的影響，可以深層次理解燃燒機(jī)理，有助于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)研究、新材料合成、PM2.5產(chǎn)生機(jī)理分析等。
“我們的空間實(shí)驗(yàn)開(kāi)展得晚，但也因此具有了后發(fā)優(yōu)勢(shì)。”鄭會(huì)龍表示，夢(mèng)天艙燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜通用性強(qiáng)，功能強(qiáng)大，傳感器最高可測(cè)3000℃高溫，高速相機(jī)每秒鐘可拍攝3000張照片，將面向全世界科學(xué)家開(kāi)放申請(qǐng)科研項(xiàng)目。
同時(shí)，為了保證燃燒實(shí)驗(yàn)的絕對(duì)安全，研制團(tuán)隊(duì)采取了多重措施：實(shí)驗(yàn)中火苗最大只有3個(gè)生日蠟燭的燃燒量，而燃燒室能承受9個(gè)大氣壓的壓力；燃料同氧氣隔絕放置，防止意外；燃燒產(chǎn)物多重過(guò)濾回收，保證航天員生命健康；此外還設(shè)定了很多預(yù)警系統(tǒng)。
高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜則在國(guó)際上首次將X射線裝置搬到了空間站。航天科技集團(tuán)蘭州空間技術(shù)物理研究所高級(jí)工程師、高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師孫晉川表示，X射線實(shí)驗(yàn)裝置是空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的“火眼金睛”，可以通過(guò)可視化手段，獲得材料樣品在制備過(guò)程中的實(shí)時(shí)圖像信息和數(shù)據(jù)。
為了避免X射線對(duì)航天員的健康影響。研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套屏蔽吸收系統(tǒng)，就算裝置滿功率輸出，X射線溢出量也遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜還通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部1600度、外部低于40度的效果，航天員摸起來(lái)不冷不熱，跟自己體溫差不多。
交一份完美答卷
10月31日下午3點(diǎn)半，夢(mèng)天艙隨著長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空。在文昌現(xiàn)場(chǎng)觀看發(fā)射的劉學(xué)超、鄭會(huì)龍等人激動(dòng)地在草坪上飛奔起來(lái)。
那一刻，除了自豪，更是百感交集。
所有技術(shù)指標(biāo)不低于國(guó)際同類裝置，還有許多國(guó)際首次，意味著必定要經(jīng)歷艱苦的攻關(guān)過(guò)程。6年時(shí)間，已經(jīng)數(shù)不清失敗過(guò)多少次。
有一次，加熱陶瓷結(jié)構(gòu)件接連三次斷裂，每次都要重新設(shè)計(jì)、開(kāi)模、實(shí)驗(yàn)。最后一次上力學(xué)臺(tái)前，同事跟劉學(xué)超說(shuō)，自己昨晚夢(mèng)見(jiàn)陶瓷又裂了。劉學(xué)超苦笑：巧了，我也做了一樣的夢(mèng)。還好，那次實(shí)驗(yàn)終于通過(guò)了。
為了批量放置16個(gè)樣品，來(lái)自中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的技術(shù)專家前后做了10套方案，怎么都放不下。但他們告訴自己，不行，一定要放下。最終通過(guò)不斷迭代設(shè)計(jì)，將空間用到極致，16個(gè)放下了。
為了總重量不超標(biāo)，高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜設(shè)計(jì)方案歷經(jīng)五輪減重，在保證先進(jìn)性、安全性的同時(shí)從每個(gè)細(xì)節(jié)摳重量。最后一輪時(shí)孫晉川笑稱：“能不能別減柜子了，我自己體重減了好幾斤。”
多少次覺(jué)得“堅(jiān)持不下去了”，但最終還是爬起來(lái)成為“打不死的小強(qiáng)”。回頭再看，孫晉川自信地說(shuō)：“這些攻克下來(lái)的具體技術(shù)都成為我們掌握的核心技術(shù)。”
在這場(chǎng)全國(guó)大協(xié)作中，來(lái)自全國(guó)各頂尖科研機(jī)構(gòu)的專家們也結(jié)下了深厚的戰(zhàn)斗友誼。“沒(méi)有這么多單位的支持，我們無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成這么復(fù)雜的工程，體現(xiàn)了我們國(guó)家強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、科研和集成能力。”鄭會(huì)龍說(shuō)。
尤其是最近幾年，為了保障后墻不倒，大家沒(méi)有節(jié)假日，頂著疫情的風(fēng)險(xiǎn)一出差就是一個(gè)月。今年春節(jié)，來(lái)自全國(guó)各地的研制團(tuán)隊(duì)齊聚北京，進(jìn)行正樣機(jī)交付前最后的調(diào)試，除夕工作到凌晨一兩點(diǎn)，大年初一早上八點(diǎn)又來(lái)到現(xiàn)場(chǎng)工作。
“我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)幾乎都拼了老命。”鄭會(huì)龍說(shuō)：“既然承擔(dān)了國(guó)家任務(wù)，就要交一份完美的答卷，這就是航天精神，也是我國(guó)航天事業(yè)能夠不斷超越自我的根本原因。”
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