征文

薪火相传续征程  助力中国航天梦——记中国空间站材料研制的故事

上海硅酸盐研究所   孟佳  |   时间:2024-09-22

自盘古破鸿蒙,从此天地遥遥不知几何。古人们总是幻想着那九重天上有一座“金光万道滚红霓,瑞气千条喷紫雾”的天宫。这似乎很浪漫,但在中国有一种浪漫叫做中国航天。2021年4月29日,长征五号B运载火箭托举着天和核心舱进入轨道,我们终于在千年之后的今天实现了古人的梦想——那就是在九霄云外开始建设我们自己的天宫——中国空间站,这也终将会让中国成为世界上唯一一个,独立拥有空间站的国家。

然而,中国空间站的建设却饱含了难以想象的艰难与辛酸。当1992年美国联合俄罗斯等十多个国家共同建立大型国际空间站时,中国却不在邀请在列。中国航天之父钱学森院士曾说过“外国人能搞的,难道中国人不能搞?”,中国科学家始终具有这样一种自强不息、自力更生,自主创新的精神。于是,1992年9月21日,中央政治局常委会议通过决策正式实施中国载人航天工程,即921工程。制定了空间站建设的三步走计划,中国科学院上海硅酸盐所特种无机涂层研究中心正是这三步走计划的参与者和践行者。

自1992年起,上海硅酸盐研究所先后承担了七项载人飞船配套的无机热控涂层及窗体材料和防热、隔热材料的研制任务。这些任务研制时间集中,材料门类多、综合性强、涉及的学科面广和技术难点多;涂层-组件-部件品种和形式多样化;材料研制-中试生产-装船产品一体化。而当时的研究所正面临研究经费紧缺和研究队伍严重老化的状态,这也是七项研制任务开展和完成首先需要面对的困难。为了克服科研经费和科研力量不足的矛盾,无机热控涂层项目组集中了全组科研力量和资源,将七项研制任务作为全组的研究重点。并且通过招收和培养博士研究生,让研究生结合载人飞船研制任务进行博士论文研究,有效地解决了科研队伍老化和重点研究项目应用基础研究薄弱等一些深层次问题,探索了“从重点项目中选题,基础研究结合应用需要”培养研究生的模式,培养的研究生也成为了科研骨干,使尖端技术研制后继有人,较好地做到了既出成果又出人才。

载人飞船与以往卫星的最大不同在于它是载人的,航天员需要透过视窗来观察的周围环境,便于实施操作。然而,舷窗的研究对于我们来说史无前例。1999年11月20日,神舟一号飞船成功发射,次日安全着陆。当飞船返回地面后,发现了一个相当严重的问题,即飞船在返回地面经过大气层时,舱体表面的烧蚀污染物附着在了舷窗表面,透过率严重下降,这将会极大地阻碍航天员返回时对地面情况的观察,影响他们做出正确的操作,危及航天员的生命安全。美国的海上定位回收和俄罗斯的弹抛技术对我们都不适用,我们提出一个大胆的方案,就是在舷窗外层涂覆一层防污染涂层。因为是个全新的设想,没有一份可以借鉴参考的文献报道,科研人员在十几个设计的研究方案中进行反复推敲分析、研究筛选。由于时间紧迫,参研人员几乎没有完整的周末和正常的下班时间。经过近半年的集中攻关,终于确定了涂层的最终方案,从神舟二号进行初样试验,到神舟五号正样定型,经历了整整4年时间。这种创新的舷窗防烧蚀污染涂层,不仅克服了俄罗斯弹抛技术和美国海上回收带来的安全隐患,而且没有外加机构质量轻,在不改变原有设计的情况下,成功解决了我国载人飞船再入过程中由于窗体污染阻挡航天员视线,影响飞船安全着陆的难题,又攻克了一个“神舟”飞船关键技术。2003年10月16日,我国第一位航天员杨利伟搭乘神舟五号顺利返回地球,标志着我国成功打破了欧美50多年的技术垄断,成为了世界上第三个掌握载人航天技术的国家。

我们正是这样一步一个脚印,创新性地开发了一个又一个新材料,解决了一个又一个工程技术难题,2011年神舟八号、2012年神舟九号卫星与天宫一号成功完成自动和手动交会对接,标志着我国突破了载人航天三大基本技术的最后一项。在载人航天交会对接任务中,我们有13种涂层产品和部件得到成功应用,确保了交会对接任务的顺利完成,让我们离建成空间站的梦想又更近了一步。

当2020年5月长征五号B运载火箭搭载的新一代载人试验飞船首飞圆满成功之时,中国航天工程“第三步”任务的序幕就徐徐拉开了。中心研制的多项材料也成功应用于新飞船和长五火箭。

长征五号B运载火箭是为载人航天空间站建设特别打造的一个大推力运载火箭,因为只有通过推力强大的长五B火箭,才能把重量在20旽级别的各个空间站舱段送入太空。长五系列火箭使用了我国首次开发的液氧/煤油高压补燃发动机。发动机中承载高速、高压、强氧化、大热冲击等苛刻摩擦工况条件下的动密封尤为重要,是该发动机研制的关键技术之一。针对发动机涡轮端动密封的服役工况,科研人员提出采用耐磨涂层方案,通过涂层材料导热性能与微结构的设计优化,突破了力学性能、抗热冲击性能、模拟实用工况的耐磨性能评估及制造工艺优化等关键技术,研制的耐磨涂层满足涡轮端动密封的全部技术要求。这一研究成果获得了上海市技术发明一等奖,这一成果也凝聚了几代科研人员的心血。

天宫这个中华民族想象了数千年,布局了50年,努力了30年的梦想,随着天和核心舱、梦天和问天实验室舱的成功发射,我们终于拥有了一个完全由我们独立建成的空间站。

为此奋斗了一生的科学家们早已白发苍苍,但正是这一代又一代人的前赴后继,才终于在这条漫长又艰辛的道路上,和那个可望不可及的梦想更加接近。

航天之父齐奥尔科夫斯基曾说“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远停留在摇篮里”,天宫或许就是人类走向更远深空的起点,我们必将迎来一个真正的星际旅行时代。到那时,我们这代的接力棒早已交给更有才华的年轻人。我相信只要心中永远保有这点点星火,梦想终将会实现。

因为我们都是追梦人,我们一直在努力!