1600℃！在夢天艙安全“玩火”

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。

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。

(資料圖)

1600℃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℃、單晶硅的熔點是1410℃……實驗柜的工作溫度越高，能研究的范圍越廣，出現變革性成果的可能性就越大。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，很可能產生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主任設計師劉學超表示。

但是，中國科學家要想實現夢想卻不易。國際空間站中，美國命運號實驗艙最高工作溫度為1400℃、歐洲哥倫布號為1400℃、日本希望號為1600℃、俄羅斯科學號為1200℃。

“過去我們沒有資源，現在有了很好的機會。我們在立項時就確定，所有技術指標均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的一系列指標國際領先——溫度穩定度達到正負0.2℃、自動化樣品數量為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支的紀錄。這意味著，航天員掛上16支樣品后，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、高溫材料科學實驗柜科學實驗系統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

“在空間站‘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起，這樣的質疑就不絕于耳。

但是，燃燒現象同人類生活息息相關，更何況空間燃燒實驗有望產生重大科學成果，這也是全球的熱點研究方向。

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主任設計師鄭會龍表示，太空去除了對流的影響，可以深層次理解燃燒機理，有助于航空航天發動機研究、新材料合成、PM2.5產生機理分析等。

“我們的空間實驗開展得晚，但也因此具有了后發優勢。”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科研項目申請。

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；燃燒產物多重過濾回收，保證航天員生命健康。此外，研究人員還設定了很多預警系統。

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據。

為了避免X射線對航天員健康產生影響，研制團隊設計了一套屏蔽吸收系統，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，實現了內部1600℃、外部低于40℃的效果，使實驗柜摸起來不冷不熱，跟航天員體溫差不多。

交一份完美答卷

10月31日下午3點半，夢天艙隨著長征五號運載火箭發射升空。在海南文昌現場觀看發射的劉學超、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。

所有技術指標均不低于國際同類裝置，還有許多國際首次，意味著從設計到研發必定要經歷艱苦的攻關過程。6年時間，他們已經數不清失敗過多少次。

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。劉學超苦笑道：“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支樣品，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支樣品放下了。

為了總重量不超標，高溫材料科學實驗柜設計方案歷經5輪減重，在保證先進性、安全性的同時從每個細節摳重量。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。”

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”。回頭再看，孫晉川自信地說：“這些攻克下來的具體技術都成為了我們掌握的核心技術。”

在這場全國大協作中，來自各頂尖科研機構的專家們也結下了深厚的戰斗友誼。“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，這體現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，大家沒有節假日，冒著疫情的風險一出差就是一個月。今年春節，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，除夕之夜工作到凌晨一兩點，大年初一早上8點又來到現場工作。

“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，也是我國航天事業能夠不斷超越自我的根本原因。”

（原載于《中國科學報》 2022-11-30 第4版 綜合）

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