1600℃！在梦天舱安全“玩火”
来源： 中国科学报 发布时间：2022-12-02
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℃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℃、单晶硅的熔点是1410℃……实验柜的工作温度越高，能研究的范围越广，出现变革性成果的可能性就越大。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，很可能产生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。
但是，中国科学家要想实现梦想却不易。国际空间站中，美国命运号实验舱最高工作温度为1400℃、欧洲哥伦布号为1400℃、日本希望号为1600℃、俄罗斯科学号为1200℃。
“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，所有技术指标均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的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支的纪录。这意味着，航天员挂上16支样品后，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，大大提高了效率和精度。
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
“在空间站‘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起，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，更何况空间燃烧实验有望产生重大科学成果，这也是全球的热点研究方向。
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，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科研项目申请。
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根生日蜡烛的燃烧量，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，研究人员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射线对航天员健康产生影响，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℃、外部低于40℃的效果，使实验柜摸起来不冷不热，跟航天员体温差不多。
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。在海南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，他们百感交集。
所有技术指标均不低于国际同类装置，还有许多国际首次，意味着从设计到研发必定要经历艰苦的攻关过程。6年时间，他们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。刘学超苦笑道：“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支样品，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支样品放下了。
为了总重量不超标，高温材料科学实验柜设计方案历经5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，我自己体重都减了好几斤。”
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了我们掌握的核心技术。”
在这场全国大协作中，来自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，这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，冒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，除夕之夜工作到凌晨一两点，大年初一早上8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。”
（原载于《中国科学报》 2022-11-30 第4版 综合）
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