研制人員正在檢查設備 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實驗柜堪稱最火熱的一對——燃燒科學實驗柜和高溫材料科學實驗柜。
(相關資料圖)
日前,實驗柜主任設計師等研制人員向《中國科學報》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實驗柜的最高工作溫度,也是國際空間站科學實驗艙能夠達到的最高溫度。
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研究,幾乎是每一位材料學家的夢想。
“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、高溫材料科學實驗柜科學實驗系統(tǒng)主任設計師劉學超表示。
但中國科學家要實現(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到1400度、歐洲哥倫布號1400度、日本希望號1600度、俄羅斯科學號1200度。
“過去我們沒有資源,現(xiàn)在有了很好的機會,我們在立項時就確定,所有技術指標不低于國際空間站同類裝置。”劉學超說。
他們說到做到,目前,高溫材料科學實驗柜一系列指標國際領先:溫度穩(wěn)定度達到正負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、高溫材料科學實驗柜科學實驗系統(tǒng)主管設計師張明輝表示,批次實驗有點像“左輪手槍的彈匣”,依次輪轉進行實驗;而對整個實驗過程實時拍照的CCD相機則像是“太上老君的童子”,時刻守護著“煉丹爐”。
據(jù)了解,為了提高空間實驗成功率,科學家在地面進行了大量匹配實驗,和空間實驗的比例達到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?”從夢天艙燃燒科學實驗柜立項第一天,這樣的質疑就不絕于耳。
但是,燃燒現(xiàn)象同人類生活息息相關,空間燃燒實驗更是有望產(chǎn)生重大科學成果,也是全球熱點方向。
中科院工程熱物理研究所研究員、燃燒科學實驗柜科學實驗系統(tǒng)主任設計師鄭會龍表示,在太空去除了對流的影響,可以深層次理解燃燒機理,有助于航空航天發(fā)動機研究、新材料合成、PM2.5產(chǎn)生機理分析等。
“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,高速相機每秒鐘可拍攝3000張照片,將面向全世界科學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;此外還設定了很多預警系統(tǒng)。
高溫材料科學實驗柜則在國際上首次將X射線裝置搬到了空間站。航天科技集團蘭州空間技術物理研究所高級工程師、高溫材料科學實驗柜科學實驗系統(tǒng)副主任設計師孫晉川表示,X射線實驗裝置是空間科學實驗的“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。研制團隊設計了一套屏蔽吸收系統(tǒng),就算裝置滿功率輸出,X射線溢出量也遠低于國家標準。
高溫材料科學實驗柜還通過技術攻關,實現(xiàn)了內部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。
所有技術指標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,加熱陶瓷結構件接連三次斷裂,每次都要重新設計、開模、實驗。最后一次上力學臺前,同事跟劉學超說,自己昨晚夢見陶瓷又裂了。劉學超苦笑: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計,將空間用到極致,16個放下了。
為了總重量不超標,高溫材料科學實驗柜設計方案歷經(jīng)五輪減重,在保證先進性、安全性的同時從每個細節(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都成為我們掌握的核心技術。”
在這場全國大協(xié)作中,來自全國各頂尖科研機構的專家們也結下了深厚的戰(zhàn)斗友誼。“沒有這么多單位的支持,我們無法在短時間內完成這么復雜的工程,體現(xiàn)了我們國家強大的設計、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,頂著疫情的風險一出差就是一個月。今年春節(jié),來自全國各地的研制團隊齊聚北京,進行正樣機交付前最后的調試,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。
“我們整個團隊幾乎都拼了老命。”鄭會龍說:“既然承擔了國家任務,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。”
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