2021-09-24 17:10
“嫦娥飞天,羽衣飘飘……”这是神话传说中的场景。2020年11月24日凌晨,当嫦娥五号探测器飞向月球时,同样穿着一件特殊的“霓裳羽衣”,它可以有效抵御高低温环境,让“嫦娥”周身感觉“四季如春”。这件神奇的“仙女服”就是探测器的热控系统。为嫦娥五号“量体裁衣”的,是中国航天科技集团五院北京空间飞行器总体设计部苗建印创新工作室。该工作室2019年获北京市总工会命名,是以北京空间飞行器总体设计部首席研究员苗建印为领军人,聚焦航天器热控技术领域的科研型团队。这支国际一流、国内顶尖的空间热控技术研发劲旅成立于1965年,先后研制了20多种先进热控产品,为我国载人航天、月球探测等国家重大宇航工程作出了重要贡献。
务实创新研发“散热神器”
真实的月球并不像我们在地球上看到的那样恬静温柔。它白天“炽烈如火”,夜晚又“冷过冰霜”。航天器登临月球,要面临微重力、高真空、极端温度等一系列特殊空间环境的考验。如何为航天器内的仪器设备和航天员提供舒适的温度条件,是苗建印创新工作室的核心任务。
“‘创新’无疑是我们攻坚克难的利器。”苗建印表示,创新工作室的研发工作首先围绕“务实”展开,工作室也一直坚持从“基础理论研究”到“宇航产品研制”全流程的贯通。
2020年12月1日,嫦娥五号探测器成功着陆月球表面。顶着月面正午的烈日,在90℃—110℃高温下辛勤工作了几十个小时的探测器“体温”升高了起来。此时距离上升器月面起飞仅剩十几个小时,与起飞密切相关的设备开机后,温度还将升高,这将对探测器带来致命的伤害!12月3日9时46分,嫦娥五号的“散热神器”开始工作,“神器”一运行,温度立刻降了近10℃。这个“神器”,正是嫦娥五号采用的特殊散热系统——水升华器,它通过水工质在真空环境下的升华,实现热量的高效率排散。水升华器的出色表现,有力支撑了嫦娥五号完美的月球采样返回之旅。
据苗建印介绍,水升华器包含了复杂的传热传质过程,需要精确控制液态水到固态冰、固态冰到水蒸气的转变过程。团队在10年前就依托自然科学基金,开展了基础理论研究,发表了高水平的论文。但是,团队并没有满足和止步于发表几篇高水平论文,而是面向宇航工程应用,基于理论支持,确定关键技术进行突破,最终研制出国际上适应温度条件最高的水升华器产品,并成功应用。这次实践充分印证了工作室以务实为核心的创新价值理念。
坚持自主创新实现超越
核心技术买不来,唯有坚持“自主创新”,才能实现从跟踪、并跑到领跑的超越式发展。
据苗建印介绍,上世纪80年代,苏联首先发明了环路热管,被航天界公认为最有发展前景的高效传热技术。2000年前后,我国引进了相关产品。“我们引进了产品,并没有急于应用,而是从空间环境约束下的基本物理规律入手,去吃透技术。”
苗建印说,令科研团队意想不到的是,引进产品存在非常难以发现的多处致命缺陷。比如不适应于微重力环境、不能长期连续使用等。而吃透技术这一过程,科研团队用了10年。在此期间,形成发明专利22项,技术秘密10项。“通过引进、吸收和再创新,使我国的环路热管技术实现完全自主可控,支撑了嫦娥五号、空间站等一批重大宇航任务的实施。”
2018年,苗建印创新工作室成功研制出具有国际领先水平的新一代环路热管产品,核心指标比国外产品提高了3倍。在意大利举办的国际热管会议评价其为“在热管科学和技术领域具有深远影响的创新和发明”,并荣获相关大奖。苗建印认为,是坚持自主创新,使团队实现了国际范围内的领先和超越。
打破传统束缚勇于逐梦
2013年12月14日,嫦娥三号实现了我国首次月面软着陆。此后又创造了人类航天史上月面生存时间最长的记录。苗建印说,能够创造这一纪录,源于中国航天人敢于打破传统束缚的理念,勇于创新逐梦。
“过去我们是跟着人家走,常问的一句话是,‘国外是这么做的吗?’当你突然发现没有了路或者外国人的路并不好时,我们要敢于打破传统束缚。”苗建印表示,月面生存最大的挑战之一是“月夜无电力供应、-180℃的月夜深低温环境”。然而美国、苏联曾经的方案都有电力供应,如何破解?团队彻底打破了美国和苏联方案的束缚,在国际上首创性提出了“月球重力驱动两相流体回路+同位素热源”的月夜生存热量供给方案,解决了嫦娥三号的月夜生存难题。“敢于打破传统束缚,勇于创新,是我们逐梦苍穹的又一法宝!”
针对火星车没有同位素热源、火夜保温用电能源紧张等难题,以及火面存在气体对流与低温等恶劣环境,开展了火面二氧化碳气体原位利用技术、能够适应非真空环境的纳米气凝胶隔热技术、火星太阳能高效收集存储与利用技术等研究,突破了小空间滞止二氧化碳气体原位利用、纳米气凝胶封装等关键技术,取得了火面探测器高效隔热设计方法、太阳能高效收集存储与利用设计方法等,并申请了多项国防专利,保障了在无同位素热源条件下火星车热控系统的研制(国外同类探测器都利用同位素热源),有力支撑了首次火星探测等重要宇航任务研制、火星取样返回任务的方案论证。
成立半个多世纪以来,创新工作室所在团队孕育出了一大批航天领域热控专业核心人才。如今,在首席研究员和技术带头人苗建印带领下,一支热控“特种部队”在中国航天领域冲锋在前,拔掉了一个又一个阻挡在航天路上的技术堡垒,为中国航天事业腾飞提供了有力支撑。苗建印表示,创新工作室将始终秉承“专业报国、自强不息”的精神,以“掌控冷暖、领跑世界”为目标,持续不懈努力,为实现“航天梦、强军梦、中国梦”贡献自己的力量。