大江东｜中国空间站首批高温材料样品捎回上海，研发团队这样太空“炼丹”

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大江东｜中国空间站首批高温材料样品捎回上海，研发团队这样太空“炼丹”

2023-06-27 11:49:38 来源：金台资讯

当中国载人航天工程空间应用系统副总设计师刘国宁把一根根白色的长管交给科学家们时，仿佛在传递神圣的火种。这些看上去像发乌的灯管一样的长管子，平平无奇，却装着“天宫丹房首席炼丹师太上老君”都自叹不如的宝贝——中国空间站高温材料实验柜首批送回地球的实验样品……6月21日，在中科院上海硅酸盐所举办的交接仪式上，经过两百多天太空飞行、6月4日随神州十五号飞船返回舱回到地球的高温材料，又回到了科学家们手中。他们迫不及待地要到实验室里破译这些样品带回来的太空“密码”。

在中国空间站在轨运行的14个科学实验柜里，空间材料科学领域有两个实验装置，被称为“天宫丹房”的高温材料实验柜和无容器实验柜。航天员送入实验柜的金属、半导体等材料样品，失重之下“感受”1200—3000度的“炙烤”，由此产生与在地面“烧制”截然不同的特性——纯度更高、缺陷更少。人类或许无法到太空中批量“冶炼”，但通过天地对比，能找到材料制备的优化方案，提升材料性能。

高温材料实验柜是怎么研制出来的？太空“冶炼”有多难？研发团队向大江东工作室讲述10年制作“太空火炉”的故事。

(相关资料图)

刘学超展示从空间站返回的首批高温材料实验样品。黄晓慧摄

随神舟十五号载人飞船返回的高温实验样品返回袋

随神舟十五号载人飞船返回的高温材料样品盒

不惧挑战，人类首次在载人空间站里做X光实验

刘学超2019年接过载人空间站高温材料实验系统项目研制大旗时，已是这个项目第三任负责人。从读研开始，他就和半导体材料碳化硅单晶打交道，琢磨的是如何突破半导体材料“卡脖子”，却从未想过涉足航天事业。“我可能是无知无畏才接下这个重担，但接了就不打退堂鼓。”刘学超笑着回忆刚上任时面临的焦灼与困难，有种千帆过尽的快感。

当时正值项目立项后第五个年头，处在最吃紧的关头，还有十几个关键技术难题悬而未决，最头疼的是困扰多时的高温炉核心部件陶瓷发热体开裂问题。送上天的高温炉非比寻常，构件都得格外抗震，他们把金属丝绕在陶瓷上，再加上金属保护套，确保陶瓷件不会震碎，却带来了新的问题：加热过程中，金属和陶瓷的热膨胀不一致，金属丝太松了，陶瓷会被震碎，太紧了则陶瓷被挤碎。“又裂了!”在两年的反复试验中，刘学超最怕听到这句话，甚至晚上睡觉都会梦见陶瓷开裂。

每次开裂都意味着，陶瓷件要重新改尺寸、重新开模、烧制、装配、再做试验。刘学超说，好在做材料的人都极其“耐磨”，尺寸一分一毫地改，实验一遍遍地推倒重来，团队最终用两年时间磕下这一难题。

“太空一分钟，地下十年功”。不怕磨的刘学超喜欢挑战，天性乐观的他自诩心很大，失败了也不会往心里去。“我更倾向于暴露困难和问题，有问题早点暴露，小问题、小困难不解决，累积到后面，兜不住了，就成了大问题、大困难”。

“总说航天工程是大兵团作战的系统工程，体现在具体项目上，就是大团队作战协力攻关，不管哪里出了问题，都是大家一起想办法解决，不会是一个人在战斗。”课题组副组长张明辉说。

跨过了陶瓷发热体这道关键的坎，团队要挑战实现人类首次在载人空间站里做X光实验。因为担心辐射，还没有人在载人空间站里做这类实验。材料制备过程肉眼不可见，X光透射成像却能实时“看清”这一过程。“我们很多关键材料比如集成电路大硅片被‘卡脖子’，就是因为没有完全搞清楚材料晶体生长的机理，假如空间站X射线实验能成功，或许能帮助我们找到研制晶体的新途径。”

然而，空间站严格限定单个实验柜的重量不能超过500公斤，柜体设计既要加足防护层、满足防辐射要求，又要考虑重量和空间的限制。研发团队绞尽脑汁，通过模拟仿真，精准区分能量高的直射区、能量低的反射区，直射区“增肥”、反射区“瘦身”，让柜体隔板凹凸不平，以此减轻重量。经过5轮减重，最终将X射线模块从90多公斤“瘦身”至70多公斤，整个实验柜体减至485公斤。

最好的半导体晶体就像第一方阵踢正步的士兵，整齐划一、均匀无暇，科学家发现，在太空中生长的半导体晶体大多在第一方阵，缺陷度比在地上低100倍，为此，科学家们争相想让自己研究的半导体材料上天。可是空间站资源稀缺珍贵，什么样的材料能优先入选“天宫丹房”呢？

上海电机学院教授金敏在一次实验中偶然发现半导体材料硒化铟能像石墨烯一样反复折叠，有用作柔性电子材料与器件的广阔前景。2020年，这一重要发现发表后，刘学超主动联系金敏，邀请他把硒化铟送上天。此时，准备送上天做高温实验的材料都已完成立项，上海硅酸盐所就自讨腰包“为硒化铟立项”，“插队”进入候选实验项目。金敏说，高温材料实验柜团队里的科研人员也是做材料研究的，手头都有正在研究的材料，他们却能无私地为全体材料科学家服务，把最有科研价值和发展潜能的半导体材料、高温合金材料送上天。

空间站高温材料实验柜

事非经过不知难，读懂载人航天精神的“四个特别”

项目研发攻关只是万里长征的一段征程，后续还有组装测试、与整个空间站实验舱的联调联试、在轨运行的科学实验观测等“通关”大考验。临近交付的2022年春节，刘学超领着整个团队在北京的中科院空间应用工程与技术中心度过。“和实验舱内的8个系统一起调试，过程很波折，出了好几次状况。”有一次，现场测试发现，一根头发丝粗细的导线搭错了，导致实验柜的开关一直处于“关不上”，于是整个团队就在除夕晚上通宵达旦纠错。2022年3月，联调成功后，团队回到上海短暂休整，却赶上新一波疫情，为了确保项目进度，他们吃住在实验室，做地面匹配实验，“天上做实验，在地面上还要做大量匹配实验，才好做天地对比”。

2022年10月31日，高温材料实验柜随“梦天舱”成功上天，团队又开始新一轮的“鏖战”。高温材料实验中，升温、降温要经历几十个小时甚至上百个小时，一旦开始就不能停下来，团队成员轮流到北京航天飞行控制中心熬夜值班，地空“连接”，实时监测、观察晶体生长速度。“只要实验柜在轨运行一天，我们的工作就一刻不能停止”。

张明辉是团队里年头最长的成员之一。2014年立项之初，他恰好从上海硅酸盐所博士毕业，就被时任空间材料实验技术课题组负责人、导师刘岩研究员“拉进”组。“我们这个课题组有着光荣的传统，从上世纪90年代开始，我国屡次发射载有空间材料实验装置的航天器，实验装置都是我们组做的，传承了好几代人。”提及课题组的历史，张明辉一脸自豪。

当然，他也坦言，此番研制空间材料实验装置的难度超过以往任何一次，“以前一个装置25公斤，手抱着去做试验，如今近500公斤的大装置，要辗转各地做各式各样的测试试验，我们是站在前人的肩膀上前行，不眠不休也要做好。”张明辉说，一开始接触，听到“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的航天精神，觉得“科研是高大上的事情，应该用一些优雅的词汇，航天精神却说得如此直白、接地气。”经历这10年，他深切地体会到“四个特别”的航天精神总结得如此到位。

中科院上海硅酸盐所空间材料实验装置课题组部分成员

团队成员在实验室调试设备

16人的团队里大多是与张明辉年纪相仿的80后，当初和他一起进组的人，大部分都坚持下来了，支撑他们走下去的是超乎寻常的责任心。每次项目进展不顺、压力很大时，团队成员们就相互鼓励打气，一起想办法。“实验装置做好了，才能实现科学家们太空科研的设想，所有的中途放弃都是前功尽弃，国家投入这么大，这么多科研人员前仆后继，一旦出问题了会造成很大损失，我们既然选择了航天，就要做好、坚持到底”。

2021年，高温材料实验柜在兰州做关键的力学振动实验，实验结果将决定实验柜能否如期交付，张明辉形容决战时刻的心情好比高考前夜，实验前的一晚，他几乎无眠。好在张明辉他们准备充分，加之该领域里几乎所有的权威专家现场指导，关键实验一把过了。严谨内敛的张明辉如释重负，难得露出灿烂笑容。

刘学超原先所在的碳化硅半导体材料研究课题组，成果成功转化了，课题组成员纷纷离开，转入创业公司，只有他因为空间站高温材料装置任务留下来了。虽然因此放弃了一大笔收入，但他并不后悔：“将实验柜送上天、交接返回地球的实验样品，意味着新的开始，我们在轨实验策划时间是10年，甚至15年，支撑浩大的空间实验探索，我们还会坚持做下去。”

别人出差按天算，空间材料实验装置课题组则按月计。忙碌的科研工作、常年奔波在实验室和发射场间，让刘学超无暇顾及家庭，儿子有时会问他：“我上幼儿园时，爸爸你偶尔还会来接我放学，怎么我上小学后，再也看不到你来了？”有一年冬天，碰巧刘学超在上海，难得送儿子上学，他本想开车送，却被儿子拦住了：“走着去吧，路上聊聊天，这样你就可以多陪我一会儿。”刘学超感慨，儿子年龄虽小，但特别能理解他的工作，还把自己小闹钟送给刘学超，提醒他准时准点记好试验数据。

前段时间，刘学超应邀到儿子所在的长宁区愚园路第一小学，给孩子们上了一堂“走进中国空间站”的科普课。每次去发射场，他都会攒下几枚“发射任务勋章”的纪念品，他带到课堂上，奖励那些踊跃提问的孩子。当孩子们问他“人类为什么要建空间站”，刘学超回答：“我们像搭积木一样一点点建起了空间站，那是我们在太空中第一个家，从那里我们可以去更远的地方探索，走出地球、走出太阳系。”

(本文图片除署名外由中科院上海硅酸盐所和受访者提供)

(来源：人民日报中央厨房-大江东工作室)

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