研制人員正在檢查設(shè)備 受訪者供圖
一個要在天上“玩火”，一個要在天上“煉丹”，中國空間站夢天實驗艙中這兩個科學(xué)實驗柜堪稱最火熱的一對——燃燒科學(xué)實驗柜和高溫材料科學(xué)實驗柜。
(相關(guān)資料圖)
日前，實驗柜主任設(shè)計師等研制人員向《中國科學(xué)報》揭秘了夢天艙如何點燃太空中最熱的一把火。
1600度的“煉丹爐”
1600℃！這是夢天艙高溫材料科學(xué)實驗柜的最高工作溫度，也是國際空間站科學(xué)實驗艙能夠達(dá)到的最高溫度。
銅的熔點是1085℃、單晶硅是1410℃……實驗柜的工作溫度越高，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)家的夢想。
“空間站的重力只有0.001～0.000001個加速度，很可能出現(xiàn)地面無法制備的材料。”中科院上海硅酸鹽研究所研究員、高溫材料科學(xué)實驗柜科學(xué)實驗系統(tǒng)主任設(shè)計師劉學(xué)超表示。
但中國科學(xué)家要實現(xiàn)夢想?yún)s不易。在國際空間站上，美國命運號實驗艙最高工作溫度達(dá)到1400度、歐洲哥倫布號1400度、日本希望號1600度、俄羅斯科學(xué)號1200度。
“過去我們沒有資源，現(xiàn)在有了很好的機(jī)會，我們在立項時就確定，所有技術(shù)指標(biāo)不低于國際空間站同類裝置。”劉學(xué)超說。
他們說到做到，目前，高溫材料科學(xué)實驗柜一系列指標(biāo)國際領(lǐng)先：溫度穩(wěn)定度達(dá)到正負(fù)0.2℃、自動化樣品數(shù)量為16支、首次采用X射線實時觀察。
一次性批量處理16支樣品打破了日本希望號GHF材料實驗裝置15支的記錄。這意味著，航天員掛上16支樣品之后，幾個月都不需要進(jìn)行任何操作，實驗柜將自主完成所有實驗，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)實驗柜科學(xué)實驗系統(tǒng)主管設(shè)計師張明輝表示，批次實驗有點像“左輪手槍的彈匣”，依次輪轉(zhuǎn)進(jìn)行實驗；而對整個實驗過程實時拍照的CCD相機(jī)則像是“太上老君的童子”，時刻守護(hù)著“煉丹爐”。
據(jù)了解，為了提高空間實驗成功率，科學(xué)家在地面進(jìn)行了大量匹配實驗，和空間實驗的比例達(dá)到95:5。臺上一分鐘，臺下十年功。張明輝說：“我們這里是天上一次加熱實驗，地面千錘百煉。”
多重手段確保絕對安全
“去空間站玩火是不是太危險了？”從夢天艙燃燒科學(xué)實驗柜立項第一天，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)，空間燃燒實驗更是有望產(chǎn)生重大科學(xué)成果，也是全球熱點方向。
中科院工程熱物理研究所研究員、燃燒科學(xué)實驗柜科學(xué)實驗系統(tǒng)主任設(shè)計師鄭會龍表示，在太空去除了對流的影響，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。
“我們的空間實驗開展得晚，但也因此具有了后發(fā)優(yōu)勢。”鄭會龍表示，夢天艙燃燒科學(xué)實驗柜通用性強，功能強大，傳感器最高可測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)家開放申請科研項目。
同時，為了保證燃燒實驗的絕對安全，研制團(tuán)隊采取了多重措施：實驗中火苗最大只有3個生日蠟燭的燃燒量，而燃燒室能承受9個大氣壓的壓力；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)實驗柜則在國際上首次將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)物理研究所高級工程師、高溫材料科學(xué)實驗柜科學(xué)實驗系統(tǒng)副主任設(shè)計師孫晉川表示，X射線實驗裝置是空間科學(xué)實驗的“火眼金睛”，可以通過可視化手段，獲得材料樣品在制備過程中的實時圖像信息和數(shù)據(jù)。
為了避免X射線對航天員的健康影響。研制團(tuán)隊設(shè)計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)低于國家標(biāo)準(zhǔn)。
高溫材料科學(xué)實驗柜還通過技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)了內(nèi)部1600度、外部低于40度的效果，航天員摸起來不冷不熱，跟自己體溫差不多。
交一份完美答卷
10月31日下午3點半，夢天艙隨著長征五號運載火箭發(fā)射升空。在文昌現(xiàn)場觀看發(fā)射的劉學(xué)超、鄭會龍等人激動地在草坪上飛奔起來。
那一刻，除了自豪，更是百感交集。
所有技術(shù)指標(biāo)不低于國際同類裝置，還有許多國際首次，意味著必定要經(jīng)歷艱苦的攻關(guān)過程。6年時間，已經(jīng)數(shù)不清失敗過多少次。
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、開模、實驗。最后一次上力學(xué)臺前，同事跟劉學(xué)超說，自己昨晚夢見陶瓷又裂了。劉學(xué)超苦笑：巧了，我也做了一樣的夢。還好，那次實驗終于通過了。
為了批量放置16個樣品，來自中科院沈陽自動化研究所的技術(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。最終通過不斷迭代設(shè)計，將空間用到極致，16個放下了。
為了總重量不超標(biāo)，高溫材料科學(xué)實驗柜設(shè)計方案歷經(jīng)五輪減重，在保證先進(jìn)性、安全性的同時從每個細(xì)節(jié)摳重量。最后一輪時孫晉川笑稱：“能不能別減柜子了，我自己體重減了好幾斤。”
多少次覺得“堅持不下去了”，但最終還是爬起來成為“打不死的小強”?；仡^再看，孫晉川自信地說：“這些攻克下來的具體技術(shù)都成為我們掌握的核心技術(shù)。”
在這場全國大協(xié)作中，來自全國各頂尖科研機(jī)構(gòu)的專家們也結(jié)下了深厚的戰(zhàn)斗友誼。“沒有這么多單位的支持，我們無法在短時間內(nèi)完成這么復(fù)雜的工程，體現(xiàn)了我們國家強大的設(shè)計、科研和集成能力。”鄭會龍說。
尤其是最近幾年，為了保障后墻不倒，大家沒有節(jié)假日，頂著疫情的風(fēng)險一出差就是一個月。今年春節(jié)，來自全國各地的研制團(tuán)隊齊聚北京，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，大年初一早上八點又來到現(xiàn)場工作。
“我們整個團(tuán)隊幾乎都拼了老命。”鄭會龍說：“既然承擔(dān)了國家任務(wù)，就要交一份完美的答卷，這就是航天精神，也是我國航天事業(yè)能夠不斷超越自我的根本原因。”
標(biāo)簽：
