1600℃！在夢天艙安全“玩火”

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(shí)驗(yàn)艙中這兩個科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜堪稱最“火熱”的一對——燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜。

日前，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)燃太空中最熱的一把火。

(資料圖)

1600℃的“煉丹爐”

1600℃！這是夢天艙高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的最高工作溫度，也是國際空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙能夠達(dá)到的最高溫度。

銅的熔點(diǎn)是1085℃、單晶硅的熔點(diǎn)是1410℃……實(shí)驗(yàn)柜的工作溫度越高，能研究的范圍越廣，出現(xiàn)變革性成果的可能性就越大。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，很可能產(chǎn)生地面無法制備的材料?！敝锌圃荷虾９杷猁}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)計師劉學(xué)超表示。

但是，中國科學(xué)家要想實(shí)現(xiàn)夢想?yún)s不易。國際空間站中，美國命運(yùn)號實(shí)驗(yàn)艙最高工作溫度為1400℃、歐洲哥倫布號為1400℃、日本希望號為1600℃、俄羅斯科學(xué)號為1200℃。

“過去我們沒有資源，現(xiàn)在有了很好的機(jī)會。我們在立項(xiàng)時就確定，所有技術(shù)指標(biāo)均不低于國際空間站同類裝置?！眲W(xué)超說。

他們說到做到。目前，高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的一系列指標(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(shí)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(shí)驗(yàn)裝置15支的紀(jì)錄。這意味著，航天員掛上16支樣品后，幾個月都不需要進(jìn)行任何操作，實(shí)驗(yàn)柜將自主完成所有實(shí)驗(yàn)，大大提高了效率和精度。

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)。而對整個實(shí)驗(yàn)過程實(shí)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(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(shí)驗(yàn)，地面千錘百煉?！?/p>

多重手段確保絕對安全

“在空間站‘玩火’是不是太危險了？”從夢天艙燃燒科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜立項(xiàng)第一天起，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)，更何況空間燃燒實(shí)驗(yàn)有望產(chǎn)生重大科學(xué)成果，這也是全球的熱點(diǎn)研究方向。

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)計師鄭會龍表示，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(shí)驗(yàn)開展得晚，但也因此具有了后發(fā)優(yōu)勢?！编崟埍硎?，夢天艙燃燒科學(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)家開放科研項(xiàng)目申請。

為了保證燃燒實(shí)驗(yàn)的絕對安全，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根生日蠟燭的燃燒量，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，研究人員還設(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(shí)驗(yàn)柜科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)副主任設(shè)計師孫晉川表示，X射線實(shí)驗(yàn)裝置是空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的“火眼金睛”，可以通過可視化手段，獲得材料樣品在制備過程中的實(shí)時圖像信息和數(shù)據(jù)。

為了避免X射線對航天員健康產(chǎn)生影響，研制團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)柜還通過技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部1600℃、外部低于40℃的效果，使實(shí)驗(yàn)柜摸起來不冷不熱，跟航天員體溫差不多。

交一份完美答卷

10月31日下午3點(diǎn)半，夢天艙隨著長征五號運(yùn)載火箭發(fā)射升空。在海南文昌現(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，他們百感交集。

所有技術(shù)指標(biāo)均不低于國際同類裝置，還有許多國際首次，意味著從設(shè)計到研發(fā)必定要經(jīng)歷艱苦的攻關(guān)過程。6年時間，他們已經(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(shí)驗(yàn)。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)超苦笑道：“巧了，我也做了一樣的夢?！边€好，那次實(shí)驗(yàn)終于通過了。

為了批量放置16支樣品，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支樣品放下了。

為了總重量不超標(biāo)，高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜設(shè)計方案歷經(jīng)5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，我自己體重都減了好幾斤?！?/p>

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(qiáng)”。回頭再看，孫晉川自信地說：“這些攻克下來的具體技術(shù)都成為了我們掌握的核心技術(shù)?！?/p>

在這場全國大協(xié)作中，來自各頂尖科研機(jī)構(gòu)的專家們也結(jié)下了深厚的戰(zhàn)斗友誼?！皼]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，這體現(xiàn)了我們國家強(qiáng)大的設(shè)計、科研和集成能力?！编崟堈f。

尤其是最近幾年，為了保障后墻不倒，大家沒有節(jié)假日，冒著疫情的風(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(duì)齊聚北京，進(jìn)行正樣機(jī)交付前最后的調(diào)試，除夕之夜工作到凌晨一兩點(diǎn)，大年初一早上8點(diǎn)又來到現(xiàn)場工作。

“我們整個團(tuán)隊(duì)幾乎都拼了老命?！编崟堈f，“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?！?/p>

（原載于《中國科學(xué)報》 2022-11-30 第4版 綜合）

標(biāo)簽： 科學(xué)實(shí)驗(yàn) 高溫材料 工作溫度