作者:陈欢欢 来源:中国科学报 发布时间:2022/11/27 17:58:28
选择字号:
梦天舱最火热实验柜:太空安全“玩火”指南

 

研制人员正在检查设备 受访者供图 

一个要在天上“玩火”,一个要在天上“炼丹”,中国空间站梦天实验舱中这两个科学实验柜堪称最火热的一对——燃烧科学实验柜和高温材料科学实验柜。

日前,实验柜主任设计师等研制人员向《中国科学报》揭秘了梦天舱如何点燃太空中最热的一把火。

1600度的“炼丹炉”

1600℃!这是梦天舱高温材料科学实验柜的最高工作温度,也是国际空间站科学实验舱能够达到的最高温度。

铜的熔点是1085℃、单晶硅是1410℃……实验柜的工作温度越高,能研究的范围就越大,出现变革性成果的可能性也越大。在太空中做材料科学研究,几乎是每一位材料学家的梦想。

“空间站的重力只有0.001~0.000001个加速度,很可能出现地面无法制备的材料。”中科院上海硅酸盐研究所研究员、高温材料科学实验柜科学实验系统主任设计师刘学超表示。

但中国科学家要实现梦想却不易。在国际空间站上,美国命运号实验舱最高工作温度达到1400度、欧洲哥伦布号1400度、日本希望号1600度、俄罗斯科学号1200度。

“过去我们没有资源,现在有了很好的机会,我们在立项时就确定,所有技术指标不低于国际空间站同类装置。”刘学超说。

他们说到做到,目前,高温材料科学实验柜一系列指标国际领先:温度稳定度达到正负0.2℃、自动化样品数量为16支、首次采用X射线实时观察。

一次性批量处理16支样品打破了日本希望号GHF材料实验装置15支的记录。这意味着,航天员挂上16支样品之后,几个月都不需要进行任何操作,实验柜将自主完成所有实验,大大提高效率和精度。

中科院上海硅酸盐研究所副研究员、高温材料科学实验柜科学实验系统主管设计师张明辉表示,批次实验有点像“左轮手枪的弹匣”,依次轮转进行实验;而对整个实验过程实时拍照的CCD相机则像是“太上老君的童子”,时刻守护着“炼丹炉”。

据了解,为了提高空间实验成功率,科学家在地面进行了大量匹配实验,和空间实验的比例达到95:5。台上一分钟,台下十年功。张明辉说:“我们这里是天上一次加热实验,地面千锤百炼。”

多重手段确保绝对安全

“去空间站玩火是不是太危险了?”从梦天舱燃烧科学实验柜立项第一天,这样的质疑就不绝于耳。

但是,燃烧现象同人类生活息息相关,空间燃烧实验更是有望产生重大科学成果,也是全球热点方向。

中科院工程热物理研究所研究员、燃烧科学实验柜科学实验系统主任设计师郑会龙表示,在太空去除了对流的影响,可以深层次理解燃烧机理,有助于航空航天发动机研究、新材料合成、PM2.5产生机理分析等。

“我们的空间实验开展得晚,但也因此具有了后发优势。”郑会龙表示,梦天舱燃烧科学实验柜通用性强,功能强大,传感器最高可测3000℃高温,高速相机每秒钟可拍摄3000张照片,将面向全世界科学家开放申请科研项目。

同时,为了保证燃烧实验的绝对安全,研制团队采取了多重措施:实验中火苗最大只有3个生日蜡烛的燃烧量,而燃烧室能承受9个大气压的压力;燃料同氧气隔绝放置,防止意外;燃烧产物多重过滤回收,保证航天员生命健康;此外还设定了很多预警系统。

高温材料科学实验柜则在国际上首次将X射线装置搬到了空间站。航天科技集团兰州空间技术物理研究所高级工程师、高温材料科学实验柜科学实验系统副主任设计师孙晋川表示,X射线实验装置是空间科学实验的“火眼金睛”,可以通过可视化手段,获得材料样品在制备过程中的实时图像信息和数据。

为了避免X射线对航天员的健康影响。研制团队设计了一套屏蔽吸收系统,就算装置满功率输出,X射线溢出量也远低于国家标准。

高温材料科学实验柜还通过技术攻关,实现了内部1600度、外部低于40度的效果,航天员摸起来不冷不热,跟自己体温差不多。

交一份完美答卷

10月31日下午3点半,梦天舱随着长征五号运载火箭发射升空。在文昌现场观看发射的刘学超、郑会龙等人激动地在草坪上飞奔起来。

那一刻,除了自豪,更是百感交集。

所有技术指标不低于国际同类装置,还有许多国际首次,意味着必定要经历艰苦的攻关过程。6年时间,已经数不清失败过多少次。

有一次,加热陶瓷结构件接连三次断裂,每次都要重新设计、开模、实验。最后一次上力学台前,同事跟刘学超说,自己昨晚梦见陶瓷又裂了。刘学超苦笑:巧了,我也做了一样的梦。还好,那次实验终于通过了。

为了批量放置16个样品,来自中科院沈阳自动化研究所的技术专家前后做了10套方案,怎么都放不下。但他们告诉自己,不行,一定要放下。最终通过不断迭代设计,将空间用到极致,16个放下了。

为了总重量不超标,高温材料科学实验柜设计方案历经五轮减重,在保证先进性、安全性的同时从每个细节抠重量。最后一轮时孙晋川笑称:“能不能别减柜子了,我自己体重减了好几斤。”

多少次觉得“坚持不下去了”,但最终还是爬起来成为“打不死的小强”。回头再看,孙晋川自信地说:“这些攻克下来的具体技术都成为我们掌握的核心技术。”

在这场全国大协作中,来自全国各顶尖科研机构的专家们也结下了深厚的战斗友谊。“没有这么多单位的支持,我们无法在短时间内完成这么复杂的工程,体现了我们国家强大的设计、科研和集成能力。”郑会龙说。

尤其是最近几年,为了保障后墙不倒,大家没有节假日,顶着疫情的风险一出差就是一个月。今年春节,来自全国各地的研制团队齐聚北京,进行正样机交付前最后的调试,除夕工作到凌晨一两点,大年初一早上八点又来到现场工作。

“我们整个团队几乎都拼了老命。”郑会龙说:“既然承担了国家任务,就要交一份完美的答卷,这就是航天精神,也是我国航天事业能够不断超越自我的根本原因。”

 
版权声明:凡本网注明“来源:中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品,网站转载,请在正文上方注明来源和作者,且不得对内容作实质性改动;微信公众号、头条号等新媒体平台,转载请联系授权。邮箱:shouquan@stimes.cn。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
“中山大学极地”号顺利完成渤海冰区试航 AI技术从零开始生成原始蛋白质
科学家模拟出末态粒子关联的三维结构 固态体系实现保真度99.92%量子受控非门
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文