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央视关注,中国空间站神秘的“无容器”到底为何物?

发布日期:2022-01-14 18:10:00 阅读数量:

2021年4月29日11时23分,中国空间站“天和”核心舱在海南文昌航天发射场由长征五号B遥二运载火箭发射升空,标志着我国空间站建造进入全面实施阶段,后续还将陆续发射“问天”实验舱和“梦天”实验舱,三舱组合成T字形构型的国家级太空实验室,将在未来十几年内支持大量科学研究和实验。

      中国空间站三个舱段共布置了十多个实验柜,实验柜是空间站舱内实(试)验任务开展的主要支持设施,支持空间生命科学与生物技术、微重力流体物理、微重力燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理等广泛领域的空间科学实(试)验研究。本次核心舱上共搭载了两个实验柜,其中一个便是在中国科学院空间应用系统总体部领导下,由中科院空间应用工程与技术中心、上海硅酸盐研究所和北京国科环宇科技股份有限公司共同研制的“无容器材料科学实验柜”(简称“无容器柜”),该实验柜属于空间材料科学领域。

      无容器柜是我国独立研制的空间材料实验装置,通过静电场精确控制样品位置,利用激光加热可使样品最高温度达3000℃,可以开展金属及非金属化合物材料物性的研究。在轨开展空间材料实验具有划时代的意义,可揭示各类材料的特性及生长规律,攻克在地面条件下材料制备无法解决的难题,开发出具有新型功能的材料,满足国家高技术领域战略急需。预期实验成果可在高温单晶合金(航空发动机和燃气轮机叶片)、核电站高温材料、新型铁基超导材料、新型红外遥感探测材料、医学探测器材料等领域获得应用。
      在轨期间,经五个月的调试,验证了各系统功能,实现了全自动样品释放回收、静电场悬浮样品位置控制、高功率高温激光加热、多功能热物性测量、高真空与加压环境等多种高技术功能,设计指标达到世界先进水平,成功地实现了在轨样品静电悬浮熔化凝固实验。后续将针对更多种类的科学实验样品,包括高温合金、金属玻璃、氧化物玻璃等,开展超高温材料的非平衡深过冷凝固和热物性研究。

      通常熔炼物质都需要使用容器承载熔体,往往会引入杂质,在熔体凝固过程中,会受器壁影响,生长出复杂的微观组织形态。“无容器”顾名思义,就是不用容器承载,使实验样品在悬空的状态下实现熔炼的过程,能够抑制异质形核,获得深过冷。空间的“无容器”实验样品还能消除地面重力引起的熔体形变和熔体密度分层,利于亚稳态材料和新型功能材料的开发制备,利于熔体材料参数测量。

      国科环宇研制的“无容器实验平台”、“实验电控模块”及“位控模块”给这个熔炼过程搭建了稳定可靠的平台。在轨测试期间,通过多次实验测试,发现了样品加热过程中温度变化和电荷变化之间的关系,通过不断调整位控算法和实验参数,位控系统实现了高达700帧/秒控制频率的自适应智能闭环控制,解决了样品加热过程中带电量突变的控制难题,实现了样品静电悬浮的稳定控制,解决了实验样品浮得住、控得稳的难题;“真空加压模块”支持真空和惰性气体加压环境下开展实验,进一步隔绝氧气对实验样品的影响。日本在轨测试两年才实现加热条件下稳定悬浮控制,我们在轨测试五个月便突破了,使我国成为第二个掌握此项技术的国家。

                                ▲本次下行样品在轨标志性实验过程
      2021年6月17日9时22分,搭载神舟十二号载人飞船的长征二号F遥十二运载火箭,在酒泉卫星发射中心点火发射成功。18时48分,航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波先后进入“天和”核心舱,标志着中国人首次进入自己的空间站!航天员对无容器材料实验柜的在轨操作主要是进行样品盒更换。实验过程中不需要航天员进行直接操作,主要通过注入指令执行,地面工作人员在“有效载荷运行管理中心”可以实时监控实验开展。

      2021年9月17日13时30分许,神舟十二号载人飞船安全降落在东风着陆场预定区域。随航天员返回的,还有首批在轨科学实验样品即无容器实验样品。10月22日,中国空间站首批在轨科学实验样品交接仪式在北京举行。中国载人航天工程办公室、中国科学院空间应用系统总体部、中国科学院空间应用工程与技术中心、上海硅酸盐研究所、国科环宇等单位出席交接仪式。
      交接仪式上,中国载人航天工程副总设计师陈善广和中科院空间应用中心主任、空间应用系统总指挥高铭,共同对无容器项目团队在我国空间无容器材料研究领域取得的突出成绩表达了祝贺。国科环宇副总经理张东伟、无容器材料科学实验系统副主任设计师梁学锋及型号项目主管王晶晶代表国科环宇参加了无容器实验样品交接仪式。后续科研人员将进行实验样品的解剖、分析和研究工作,力争获得更多科学成果。


      无容器柜在轨可靠运行,首战告捷,离不开环宇人上下求索的坚强意志及忘我奉献的可贵精神。该项目2014年立项,目标是随“天和”核心舱升空,研制周期紧张,交付压力倍增。在这种情况下,项目组夜以继日,放弃一切假期,采购、质量、调度、硬件、结构、软件、逻辑、测试、可靠性等工程师有序协同工作,始终奋斗在一线。

      经过电性件阶段功能验证,鉴定件阶段众多环境适应性试验及工效学评价等研制工作,历时六年攻关,固化正样发射件技术状态,终于在2020年10月完成交付验收工作。

      之后项目组克服新冠疫情期间的种种困难夜以继日参加系统联试,春节期间驻守海南文昌航天发射场做判读保障,直至圆满完成测发任务,获得总体单位及上级单位的一致认可和好评。随着神舟十三的成功发射,航天员对无容器柜在轨进行了样品更换,材料科学实验任务在天地交互下有序进行,未来还会有大量的科学成果产出,相信此项目必将为我国材料科学的进步作出更多的贡献。

      很多人把无容器材料科学实验系统比作“天宫里太上老君的炼丹炉”,那一颗颗高达3000℃的实验样品便是经过千锤百炼的“金丹”。回首整个任务,无论对无容器材料科学实验系统,还是对国科环宇或是参与项目的每个人都是一个百炼成钢的过程,精诚所至金石为开,任务还在继续,让我们共同期待收获更多的“金石”成果!

 

 

 

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