當(dāng)中國(guó)載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師劉國(guó)寧把一根根白色的長(zhǎng)管交給科學(xué)家們時(shí)，仿佛在傳遞神圣的火種。這些看上去像發(fā)烏的燈管一樣的長(zhǎng)管子，平平無(wú)奇，卻裝著“天宮丹房首席煉丹師太上老君”都自嘆不如的寶貝——中國(guó)空間站高溫材料實(shí)驗(yàn)柜首批送回地球的實(shí)驗(yàn)樣品……6月21日，在中科院上海硅酸鹽所舉辦的交接儀式上，經(jīng)過(guò)兩百多天太空飛行、6月4日隨神州十五號(hào)飛船返回艙回到地球的高溫材料，又回到了科學(xué)家們手中。他們迫不及待地要到實(shí)驗(yàn)室里破譯這些樣品帶回來(lái)的太空“密碼”。

(資料圖)

在中國(guó)空間站在軌運(yùn)行的14個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜里，空間材料科學(xué)領(lǐng)域有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，被稱為“天宮丹房”的高溫材料實(shí)驗(yàn)柜和無(wú)容器實(shí)驗(yàn)柜。航天員送入實(shí)驗(yàn)柜的金屬、半導(dǎo)體等材料樣品，失重之下“感受”1200—3000度的“炙烤”，由此產(chǎn)生與在地面“燒制”截然不同的特性——純度更高、缺陷更少。人類或許無(wú)法到太空中批量“冶煉”，但通過(guò)天地對(duì)比，能找到材料制備的優(yōu)化方案，提升材料性能。

高溫材料實(shí)驗(yàn)柜是怎么研制出來(lái)的？太空“冶煉”有多難？研發(fā)團(tuán)隊(duì)向大江東工作室講述10年制作“太空火爐”的故事。

劉學(xué)超展示從空間站返回的首批高溫材料實(shí)驗(yàn)樣品。黃曉慧攝

隨神舟十五號(hào)載人飛船返回的高溫實(shí)驗(yàn)樣品返回袋

隨神舟十五號(hào)載人飛船返回的高溫材料樣品盒

不懼挑戰(zhàn)，人類首次在載人空間站里做X光實(shí)驗(yàn)

劉學(xué)超2019年接過(guò)載人空間站高溫材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)項(xiàng)目研制大旗時(shí)，已是這個(gè)項(xiàng)目第三任負(fù)責(zé)人。從讀研開(kāi)始，他就和半導(dǎo)體材料碳化硅單晶打交道，琢磨的是如何突破半導(dǎo)體材料“卡脖子”，卻從未想過(guò)涉足航天事業(yè)?！拔铱赡苁菬o(wú)知無(wú)畏才接下這個(gè)重?fù)?dān)，但接了就不打退堂鼓?！眲W(xué)超笑著回憶剛上任時(shí)面臨的焦灼與困難，有種千帆過(guò)盡的快感。

當(dāng)時(shí)正值項(xiàng)目立項(xiàng)后第五個(gè)年頭，處在最吃緊的關(guān)頭，還有十幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題懸而未決，最頭疼的是困擾多時(shí)的高溫爐核心部件陶瓷發(fā)熱體開(kāi)裂問(wèn)題。送上天的高溫爐非比尋常，構(gòu)件都得格外抗震，他們把金屬絲繞在陶瓷上，再加上金屬保護(hù)套，確保陶瓷件不會(huì)震碎，卻帶來(lái)了新的問(wèn)題：加熱過(guò)程中，金屬和陶瓷的熱膨脹不一致，金屬絲太松了，陶瓷會(huì)被震碎，太緊了則陶瓷被擠碎。“又裂了!”在兩年的反復(fù)試驗(yàn)中，劉學(xué)超最怕聽(tīng)到這句話，甚至晚上睡覺(jué)都會(huì)夢(mèng)見(jiàn)陶瓷開(kāi)裂。

每次開(kāi)裂都意味著，陶瓷件要重新改尺寸、重新開(kāi)模、燒制、裝配、再做試驗(yàn)。劉學(xué)超說(shuō)，好在做材料的人都極其“耐磨”，尺寸一分一毫地改，實(shí)驗(yàn)一遍遍地推倒重來(lái)，團(tuán)隊(duì)最終用兩年時(shí)間磕下這一難題。

“太空一分鐘，地下十年功”。不怕磨的劉學(xué)超喜歡挑戰(zhàn)，天性樂(lè)觀的他自詡心很大，失敗了也不會(huì)往心里去。“我更傾向于暴露困難和問(wèn)題，有問(wèn)題早點(diǎn)暴露，小問(wèn)題、小困難不解決，累積到后面，兜不住了，就成了大問(wèn)題、大困難”。

“總說(shuō)航天工程是大兵團(tuán)作戰(zhàn)的系統(tǒng)工程，體現(xiàn)在具體項(xiàng)目上，就是大團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)協(xié)力攻關(guān)，不管哪里出了問(wèn)題，都是大家一起想辦法解決，不會(huì)是一個(gè)人在戰(zhàn)斗?！闭n題組副組長(zhǎng)張明輝說(shuō)。

跨過(guò)了陶瓷發(fā)熱體這道關(guān)鍵的坎，團(tuán)隊(duì)要挑戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)人類首次在載人空間站里做X光實(shí)驗(yàn)。因?yàn)閾?dān)心輻射，還沒(méi)有人在載人空間站里做這類實(shí)驗(yàn)。材料制備過(guò)程肉眼不可見(jiàn)，X光透射成像卻能實(shí)時(shí)“看清”這一過(guò)程。“我們很多關(guān)鍵材料比如集成電路大硅片被‘卡脖子’，就是因?yàn)闆](méi)有完全搞清楚材料晶體生長(zhǎng)的機(jī)理，假如空間站X射線實(shí)驗(yàn)?zāi)艹晒?，或許能幫助我們找到研制晶體的新途徑?！?/p>

然而，空間站嚴(yán)格限定單個(gè)實(shí)驗(yàn)柜的重量不能超過(guò)500公斤，柜體設(shè)計(jì)既要加足防護(hù)層、滿足防輻射要求，又要考慮重量和空間的限制。研發(fā)團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，通過(guò)模擬仿真，精準(zhǔn)區(qū)分能量高的直射區(qū)、能量低的反射區(qū)，直射區(qū)“增肥”、反射區(qū)“瘦身”，讓柜體隔板凹凸不平，以此減輕重量。經(jīng)過(guò)5輪減重，最終將X射線模塊從90多公斤“瘦身”至70多公斤，整個(gè)實(shí)驗(yàn)柜體減至485公斤。

最好的半導(dǎo)體晶體就像第一方陣踢正步的士兵，整齊劃一、均勻無(wú)暇，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在太空中生長(zhǎng)的半導(dǎo)體晶體大多在第一方陣，缺陷度比在地上低100倍，為此，科學(xué)家們爭(zhēng)相想讓自己研究的半導(dǎo)體材料上天。可是空間站資源稀缺珍貴，什么樣的材料能優(yōu)先入選“天宮丹房”呢？

上海電機(jī)學(xué)院教授金敏在一次實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料硒化銦能像石墨烯一樣反復(fù)折疊，有用作柔性電子材料與器件的廣闊前景。2020年，這一重要發(fā)現(xiàn)發(fā)表后，劉學(xué)超主動(dòng)聯(lián)系金敏，邀請(qǐng)他把硒化銦送上天。此時(shí)，準(zhǔn)備送上天做高溫實(shí)驗(yàn)的材料都已完成立項(xiàng)，上海硅酸鹽所就自討腰包“為硒化銦立項(xiàng)”，“插隊(duì)”進(jìn)入候選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。金敏說(shuō)，高溫材料實(shí)驗(yàn)柜團(tuán)隊(duì)里的科研人員也是做材料研究的，手頭都有正在研究的材料，他們卻能無(wú)私地為全體材料科學(xué)家服務(wù)，把最有科研價(jià)值和發(fā)展?jié)撃艿陌雽?dǎo)體材料、高溫合金材料送上天。

空間站高溫材料實(shí)驗(yàn)柜

事非經(jīng)過(guò)不知難，讀懂載人航天精神的“四個(gè)特別”

項(xiàng)目研發(fā)攻關(guān)只是萬(wàn)里長(zhǎng)征的一段征程，后續(xù)還有組裝測(cè)試、與整個(gè)空間站實(shí)驗(yàn)艙的聯(lián)調(diào)聯(lián)試、在軌運(yùn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)等“通關(guān)”大考驗(yàn)。臨近交付的2022年春節(jié)，劉學(xué)超領(lǐng)著整個(gè)團(tuán)隊(duì)在北京的中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心度過(guò)?！昂蛯?shí)驗(yàn)艙內(nèi)的8個(gè)系統(tǒng)一起調(diào)試，過(guò)程很波折，出了好幾次狀況?！庇幸淮?，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，一根頭發(fā)絲粗細(xì)的導(dǎo)線搭錯(cuò)了，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)柜的開(kāi)關(guān)一直處于“關(guān)不上”，于是整個(gè)團(tuán)隊(duì)就在除夕晚上通宵達(dá)旦糾錯(cuò)。2022年3月，聯(lián)調(diào)成功后，團(tuán)隊(duì)回到上海短暫休整，卻趕上新一波疫情，為了確保項(xiàng)目進(jìn)度，他們吃住在實(shí)驗(yàn)室，做地面匹配實(shí)驗(yàn)，“天上做實(shí)驗(yàn)，在地面上還要做大量匹配實(shí)驗(yàn)，才好做天地對(duì)比”。

2022年10月31日，高溫材料實(shí)驗(yàn)柜隨“夢(mèng)天艙”成功上天，團(tuán)隊(duì)又開(kāi)始新一輪的“鏖戰(zhàn)”。高溫材料實(shí)驗(yàn)中，升溫、降溫要經(jīng)歷幾十個(gè)小時(shí)甚至上百個(gè)小時(shí)，一旦開(kāi)始就不能停下來(lái)，團(tuán)隊(duì)成員輪流到北京航天飛行控制中心熬夜值班，地空“連接”，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、觀察晶體生長(zhǎng)速度。“只要實(shí)驗(yàn)柜在軌運(yùn)行一天，我們的工作就一刻不能停止”。

張明輝是團(tuán)隊(duì)里年頭最長(zhǎng)的成員之一。2014年立項(xiàng)之初，他恰好從上海硅酸鹽所博士畢業(yè)，就被時(shí)任空間材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)課題組負(fù)責(zé)人、導(dǎo)師劉巖研究員“拉進(jìn)”組?！拔覀冞@個(gè)課題組有著光榮的傳統(tǒng)，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)屢次發(fā)射載有空間材料實(shí)驗(yàn)裝置的航天器，實(shí)驗(yàn)裝置都是我們組做的，傳承了好幾代人?！碧峒罢n題組的歷史，張明輝一臉自豪。

當(dāng)然，他也坦言，此番研制空間材料實(shí)驗(yàn)裝置的難度超過(guò)以往任何一次，“以前一個(gè)裝置25公斤，手抱著去做試驗(yàn)，如今近500公斤的大裝置，要輾轉(zhuǎn)各地做各式各樣的測(cè)試試驗(yàn)，我們是站在前人的肩膀上前行，不眠不休也要做好?！睆埫鬏x說(shuō)，一開(kāi)始接觸，聽(tīng)到“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻(xiàn)”的航天精神，覺(jué)得“科研是高大上的事情，應(yīng)該用一些優(yōu)雅的詞匯，航天精神卻說(shuō)得如此直白、接地氣?！苯?jīng)歷這10年，他深切地體會(huì)到“四個(gè)特別”的航天精神總結(jié)得如此到位。

中科院上海硅酸鹽所空間材料實(shí)驗(yàn)裝置課題組部分成員

團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試設(shè)備

16人的團(tuán)隊(duì)里大多是與張明輝年紀(jì)相仿的80后，當(dāng)初和他一起進(jìn)組的人，大部分都堅(jiān)持下來(lái)了，支撐他們走下去的是超乎尋常的責(zé)任心。每次項(xiàng)目進(jìn)展不順、壓力很大時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員們就相互鼓勵(lì)打氣，一起想辦法。“實(shí)驗(yàn)裝置做好了，才能實(shí)現(xiàn)科學(xué)家們太空科研的設(shè)想，所有的中途放棄都是前功盡棄，國(guó)家投入這么大，這么多科研人員前仆后繼，一旦出問(wèn)題了會(huì)造成很大損失，我們既然選擇了航天，就要做好、堅(jiān)持到底”。

2021年，高溫材料實(shí)驗(yàn)柜在蘭州做關(guān)鍵的力學(xué)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將決定實(shí)驗(yàn)柜能否如期交付，張明輝形容決戰(zhàn)時(shí)刻的心情好比高考前夜，實(shí)驗(yàn)前的一晚，他幾乎無(wú)眠。好在張明輝他們準(zhǔn)備充分，加之該領(lǐng)域里幾乎所有的權(quán)威專家現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)一把過(guò)了。嚴(yán)謹(jǐn)內(nèi)斂的張明輝如釋重負(fù)，難得露出燦爛笑容。

劉學(xué)超原先所在的碳化硅半導(dǎo)體材料研究課題組，成果成功轉(zhuǎn)化了，課題組成員紛紛離開(kāi)，轉(zhuǎn)入創(chuàng)業(yè)公司，只有他因?yàn)榭臻g站高溫材料裝置任務(wù)留下來(lái)了。雖然因此放棄了一大筆收入，但他并不后悔：“將實(shí)驗(yàn)柜送上天、交接返回地球的實(shí)驗(yàn)樣品，意味著新的開(kāi)始，我們?cè)谲墝?shí)驗(yàn)策劃時(shí)間是10年，甚至15年，支撐浩大的空間實(shí)驗(yàn)探索，我們還會(huì)堅(jiān)持做下去?！?/p>

別人出差按天算，空間材料實(shí)驗(yàn)裝置課題組則按月計(jì)。忙碌的科研工作、常年奔波在實(shí)驗(yàn)室和發(fā)射場(chǎng)間，讓劉學(xué)超無(wú)暇顧及家庭，兒子有時(shí)會(huì)問(wèn)他：“我上幼兒園時(shí)，爸爸你偶爾還會(huì)來(lái)接我放學(xué)，怎么我上小學(xué)后，再也看不到你來(lái)了？”有一年冬天，碰巧劉學(xué)超在上海，難得送兒子上學(xué)，他本想開(kāi)車送，卻被兒子攔住了：“走著去吧，路上聊聊天，這樣你就可以多陪我一會(huì)兒?！眲W(xué)超感慨，兒子年齡雖小，但特別能理解他的工作，還把自己小鬧鐘送給劉學(xué)超，提醒他準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)記好試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

前段時(shí)間，劉學(xué)超應(yīng)邀到兒子所在的長(zhǎng)寧區(qū)愚園路第一小學(xué)，給孩子們上了一堂“走進(jìn)中國(guó)空間站”的科普課。每次去發(fā)射場(chǎng)，他都會(huì)攢下幾枚“發(fā)射任務(wù)勛章”的紀(jì)念品，他帶到課堂上，獎(jiǎng)勵(lì)那些踴躍提問(wèn)的孩子。當(dāng)孩子們問(wèn)他“人類為什么要建空間站”，劉學(xué)超回答：“我們像搭積木一樣一點(diǎn)點(diǎn)建起了空間站，那是我們?cè)谔罩械谝粋€(gè)家，從那里我們可以去更遠(yuǎn)的地方探索，走出地球、走出太陽(yáng)系?！?/p>

(本文圖片除署名外由中科院上海硅酸鹽所和受訪者提供)

(來(lái)源： 人民日?qǐng)?bào)中央廚房-大江東工作室)

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