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走近国家重大科技基础设施丨地面上的“空间站”探访空间环境地面模拟装置

中央纪委国家监委网站 范丽娜

走近国家重大科技基础设施丨地面上的“空间站”探访空间环境地面模拟装置

装置简介:空间环境地面模拟装置是航天技术和空间科学领域的基础科学研究平台,包括空间综合环境模拟与研究系统、空间磁环境模拟与研究系统、空间等离子体环境模拟与研究系统、数值仿真与中央监控系统、建安工程与配套公用设施等,可为研究空间环境与材料、器件及生命体的相互作用等提供重要支撑,对于保障人类太空探索活动的顺利开展、突破地面单因素模拟的局限、全面了解空间环境综合因素对物质的作用和影响等具有重要意义。该装置由哈尔滨工业大学联合中国航天科技集团有限公司承建。 图为300MeV质子重离子加速器局部。 (哈工大供图)

走近国家重大科技基础设施丨地面上的“空间站”探访空间环境地面模拟装置

系统级综合辐照试验舱。范丽娜 摄

走近国家重大科技基础设施丨地面上的“空间站”探访空间环境地面模拟装置

工作人员在现场安装调试设备。范丽娜 摄

走近国家重大科技基础设施丨地面上的“空间站”探访空间环境地面模拟装置

空间综合环境模拟系统的低温系统。 (哈工大供图)

10月31日,南海之滨,海南文昌航天发射场,梦天实验舱成功发射入轨,打响了中国空间站建造收官之战。如今,神舟十四号航天员已顺利入驻梦天实验舱半月余。

而在我国最北的黑龙江省,一个可以综合模拟多类空间环境因素、具有国际领先水平的“地面空间站”——空间环境地面模拟装置,也即将落成投入试运行。

这个被称为“地面空间站”的国家重大科技基础设施为何而建,与真正的太空实验室有何不同?它的建成投用对于我国航天事业和空间科学探测能力发展有何助力作用?

近日,记者来到哈尔滨工业大学一探究竟。

在地面模拟九大类空间环境因素

空间实验不再“难于登天”

造型新奇的楼宇,炫酷的“刷眼”识别……在前往“地面空间站”之前,记者“脑补”了各种场景。但到了位于黑龙江省哈尔滨市的“大科学工程”园区现场,记者却发现“地面空间站”与想象中完全不同:约50个足球场大小的园区内,分布着“一大四小”五栋外表普通的实验楼,“一大”即空间综合环境实验楼,“四小”即空间等离子体科学实验楼、空间磁环境科学实验楼、动物培养室和主动力中心。

不过,外表普通的实验楼却十分有“内涵”。

哈工大空间环境与物质科学研究院党委委员马国亮,是空间环境地面模拟装置器件离子辐照研究系统的设计师。跟随他的脚步,记者首先来到了空间综合环境实验楼一层的综合环境模拟系统。在这里,一个白色的庞然大物赫然矗立。

“这是模拟月球表面环境的装置。有了它,科学家们在家门口就可以研究月尘物理和月球探测工程。”马国亮告诉记者,这个庞然大物,只是“地面空间站”众多装置中的一个。

记者了解到,空间环境地面模拟装置,就是要在地球上建设一个与真实宇宙空间环境相似的“地面空间站”,相当于把空间站“搬”到地球上。该装置早在2005年就开始了调研、分析和系统论证,经过相关领域科学家和有关部门的反复论证、审慎决策,2017年底开始动工建设,目前已基本建成,今年底将全面竣工试运行。

李立毅,哈工大空间环境与物质科学研究院院长,特种电机及特种电磁装置领域专家,也是空间环境地面模拟装置常务副总指挥、常务副总师。记者见到他时,他身着格子衬衫,身形瘦削,略显疲态,但聊起“地面空间站”,就像充满电一样神采飞扬。

“规模大、环境因素齐全、参数范围广、功能强。”李立毅用这几个词来总结这个超级空间环境模拟实验室的特别之处。他告诉记者,该装置可以综合模拟九大类空间环境因素,比如专业化的器件空间辐照和辐射耦合效应实验条件,多因素空间环境对宇航用材料影响实验条件,多因素空间环境生命科学实验条件等,能创造零磁、弱磁、微重力、高低温、原子氧、真空等地球上没有的空间或星球表面环境。

如何更好保障航天员在舱外工作时的生命安全、如何提升航天器的使用寿命……今后,许多需要抵达太空才能进行的实验,在这里就可以完成。“届时,科学家们开展空间实验将不再‘难于登天’。”李立毅说,不仅如此,随着二期工程的进一步实施,航天员们未来还可以在这里体验和适应月球、火星等星球的表面环境。

科研与建设同步推进

不断攻克关键核心技术

在空间等离子体科学实验楼,两个直径5米、分别长10.5米和6米的大型真空模拟舱傲然挺立。

“这是空间等离子体环境模拟系统的主体设备,一个是用于模拟研究距离地表100公里以外到太阳之间的空间环境,这个区域99.99%以上的可见物质都是以等离子体状态存在。另一个则是用于模拟研究距离地表20公里至100公里之间的空域环境。”空间等离子体环境模拟系统副研究员金成刚指着两个“大家伙”告诉记者说。

据介绍,航天器在等离子体的海洋中航行,等离子体的分布和演化规律对航天器的服役有着重要影响。“空间等离子体环境模拟系统可以用于研究磁场重联、波-粒相互作用等影响空间等离子体环境的关键物理过程,以及被列为航天领域十大难题之一的通信黑障问题等。”为便于记者理解,金成刚进一步解释说。

这两个“大家伙”得来不易。“等离子体装置各设备之间的接口关系非常复杂。从启动建设开始,仅接口技术协调会我们就开了700多次。”金成刚感叹道,哈工大有关科研建设团队联合其他协作单位一起攻克了瞬态大电磁力冲击下的运动支撑、大电流分流与汇流等多项关键技术,“试运行后,将在国际上首次实现三维地球磁层空间等离子体环境模拟。”

不难想象,要建成这座包罗万象的“地面空间站”,实非易事。大到整个装置的功能设计,小到一颗颗螺丝钉的材质,都蕴含着设计师和科技工作者们的巧思妙想。

记者发现,在空间综合环境实验楼辐射区,最薄的墙体也有1米多厚,最厚的则达到3米多。“这是防辐射墙体,这一设计主要是为了满足加速器运行时防辐射的特殊要求。”马国亮告诉记者。

在这个实验楼里,有系统级综合辐照试验舱、月尘舱、火星尘舱、高速粉尘舱等四个巨型金属装置,这些需要“仰望”的“大块头”看似平淡无奇,实则各有“内涵”。“这是空间综合环境模拟分系统,用来模拟太阳系6大类典型环境因素,比如真空、高低温、太阳和紫外电子辐射、电子和质子辐射、月尘和火星尘等。”空间综合环境模拟系统副研究员李丽芳说。

“模拟空间环境因素最多的系统级综合辐照试验舱,首个可实现动态月尘充正电和负电的大型月球多因素极端环境模拟器——月尘舱,直流引射式低气压风洞——火星尘舱,可实现空间微纳粉尘最高速度达到70km/s的高速粉尘舱……”谈起空间综合环境模拟系统的“宝贝”,李丽芳如数家珍。据介绍,这些设备都配备了先进的原位测试仪器,可以在舱内实现实时在线动态测量。

“这离不开科研人员数年、甚至数十年如一日的科研攻关。”李丽芳透露,空间综合环境模拟系统将为我国载人航天、深空探测、空间站建设等重大工程提供世界领先的科研平台和型号产品试验标校环境,解决高性能航天材料和器件等“卡脖子”问题,保障航天器高可靠、长寿命在轨服役。

“这是由射频屏蔽层、主动补偿线圈组和七层电磁屏蔽层构成的像套娃一样的结构,在内部可实现接近零磁的空间环境。”在空间磁环境科学实验楼,副研究员金银锡告诉记者,该实验室是要在地面模拟一个低磁、零磁的环境。“我们所在的环境是约5万纳特斯拉的地球磁场。目前整个装置静态磁场已抑制到0.2纳特以下,未来还要再进一步突破该指标,重点关注低磁环境下,材料、器件、航天器的变化,以及长期停留在空间站磁场对人体的影响。”

“‘地面空间站’工程兼具科学研究与工程建设的特性,科研探索始终贯穿建设之中,需要不断攻关、不断调试、不断改进,有一些全球都很少碰触的尖端难题,更需要以‘钢牙啃硬骨头’的劲头,反复进行研究试验。”说起建设过程中遇到的困难,李立毅感慨万千。

“国家需要就是努力方向”

为航天强国建设提供支撑

“梦天”飞天,“天宫”梦圆。近年来,我国载人航天领域硕果累累。那么,为什么还要在地面建一座“空间站”?

据介绍,在太空中的空间站是一个长期开展空间科学研究和实验的基地。由于空间站轨道具有与地面完全不同的极端环境,比如极端粒子辐射、微重力环境等,对物质的演化和作用有特殊的效果。“开展太空实验不仅有助于我们认识宇宙起源、揭示物质本质和运动规律,还有助于我们探索甚至遨游星辰大海。”李立毅说。

不过,空间站轨道的实际环境是不断动态变化的综合环境,会受到太阳、地磁等自然环境的干扰。这给在理论上开展空间环境条件下的物质演化规律和相关演化本质的研究造成困扰。另外,在空间站开展相应的研究还存在其他诸多困难,比如很多仪器设备没有办法“搬”到太空;一些大质量的设备、材料和物质上天,需要付出极大的成本和代价;只有少数航天员科学家能够前往空间站进行实验操作……

“所以,建设可以模拟不同空间环境因素的‘地面空间站’,意义非凡。”李立毅说,特别重要的是,可以在环境模拟设备上设计、安装先进的分析和研究设备,为系统、深入开展空间极端环境模拟与物质演化行为的研究提供便利,“地面空间站”将成为空间科学、航天技术、物质科学等领域最先进的技术研究与工程应用平台。

“国家需要就是努力方向。”李立毅告诉记者,航天梦是强国梦的重要组成部分,这一装置将为我国航天强国建设提供重要支撑。

据他介绍,依托在轨运行的“天宫”和空间环境地面模拟装置等,将构建起空间在轨实验、地面模拟实验、计算机数值模拟“三位一体”的天地一体化国家空间环境与物质作用研究体系,为航天发展和空间探索提供保障。不仅如此,未来,“地面空间站”在脑科学、生命健康、高端仪器研发等方面也会有广泛的作用。

从设想到现实,一路走来,诸多科技工作者们夙兴夜寐、孜孜以求:为了让零磁空间环境系统的数据准一点、再准一点,装置开工建设以来的近五年时间里,科研人员只能在每天凌晨做试验,因为那时候电网功率最低、影响最小、数据最准;面对部分进口部件被“卡脖子”,科研人员夜以继日,最终实现自主设计研发……

“装置建设的溢出效应非常明显,围绕空间环境模拟的许多关键技术在建设需求牵引下得到突破,我们已累计申请国际和国内发明专利120余项。”李立毅告诉记者,国内外的科学家们已经迫不及待地想要进入“地面空间站”开展科学实验。目前,已有国内外110余家高校和科研院所与该装置签署了用户协议。

星空浩瀚无比,探索永无止境。党的二十大报告强调,加快建设航天强国。“我们充满期待,也信心满满!”李立毅表示。



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原文地址《 走近国家重大科技基础设施丨地面上的“空间站”探访空间环境地面模拟装置》发布于2022-11-23
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