上海硅酸盐所研制的多种材料与载荷应用于中国空间站项目

发布时间:2021-04-29

  4月29日11时23分,中国空间站“天和”核心舱在海南文昌航天发射场由长征五号B遥二运载火箭发射升空。中国科学院上海硅酸盐研究所承担了空间站无容器材料实验柜、高温隔热屏、耐高温低吸辐比防原子氧布、空间站舱外用KS-ZA热控涂层、展开机构钛合金热控耐摩擦涂层、不锈钢支撑杆低吸辐比热控涂层、载荷适配器表面光亮阳极氧化热控涂层、耐辐照舷窗玻璃的研制和生产任务。

  空间站无容器材料实验柜具备静电悬浮实验功能,实现了全自动样品释放回收、静电场悬浮样品位置控制、高功率高温激光加热、多功能热物性测量、高真空与加压环境等多种高技术功能,设计指标达到世界先进水平。上海硅酸盐所科研团队历时五年攻克了该装置样品释放回收、样品悬浮位置控制、高温激光加热三大关键技术。

  该装置可实现每盒29个样品的自动释放回收,可大幅度缩短宇航员操作时间,提高科学实验效率和人机工效。采用半导体激光器和二氧化碳激光器耦合激光加热技术,可将具有不同激光吸收波长的金属、非金属加热到3000℃以上,大幅度提高了科学实验的范围,可满足不同材料科学实验需求。

  自主研制成功小型高速相机位置控制系统,其位置控制精度可达±0.1mm,控制频率高于1000赫兹。实验腔体具有36个实验观察、实验测试视窗,大幅度增加了科学实验内容,除可实现高温熔体的密度、表面张力和粘度等常规热物性测试外,还可进行比热、热辐射测试。同时还可以通过触发形核的方式进行无容器凝固过程中的不同过冷度下的相选择凝固,为开发亚稳相新型功能材料提供了新的实验科学手段。该装置的实验腔体的真空度可达10-5Pa,并可承受4个大气压以上的压力,实现了在微重力条件下和高真空、高气压环境下对不同材料进行无容器材料科学实验。

  针对空间站核心舱轨控发动机空间位置受限,燃烧室退避至舱内,需要对其热辐射进行隔绝的问题,研制了滚动发动机、轨控发动机、凹舱、隔冲框等高温隔热屏,解决了有限空间内发动机羽流及热辐射隔绝的难题,从而维持了舱内温度环境的稳定,保障了舱内各单机的正常工作。同时针对空间站在低轨环境中受原子氧侵蚀严重的问题,研制了耐高温低吸辐比防原子氧布,解决了空间站高温隔热屏长期受原子氧侵蚀导致性能退化的难题,实现了高温隔热屏热控、隔热、防原子氧功能一体化,保障了高温隔热屏长期在轨功能的稳定。

  自2012年起承担空间站舱外用KS-ZA热控涂层的研制与生产任务,先后攻克了低太阳吸收、高辐射散热、高结合力、长时间在轨性能稳定、大面积工艺实施、多批次生产一致性等技术难题,有效解决了数百平米辐射器和大量舱外设备表面的高散热需求,保障了空间站的热控系统稳定运行。

  空间站太阳翼在空间中展开长度达15米,包含几千件部件。为保障太阳翼在空间多次展开,研制了具有硬度高、热辐射性能优异的展开机构钛合金热控耐摩擦涂层,同时还研制了不锈钢支撑杆低吸辐比热控涂层,为展开机构的顺利运转提供了支撑。

  研制了载荷适配器表面光亮阳极氧化热控涂层,载荷适配器是把舱内资源提供给舱外载荷的标准接口设备,为舱外载荷提供机、电、热、软的接口。

  舷窗是载人航天器密封舱体结构的关键部件,具有视窗、承压及密封等功能,直接关系到航天员的生命安全和飞行任务的完成。历时10余年时间,承担了空间站用耐辐照舷窗玻璃的研制与生产任务,先后攻克了高光学质量制备、优异耐辐照性能、力学增强及可靠性分析等技术难题,解决了舷窗玻璃空间环境下的长寿命问题,提供了多批次近百块耐辐照舷窗玻璃,保障了空间站舷窗长期在轨有效运行。

  据悉,在今明两年内,我国将接续实施11次飞行任务,包括3次空间站舱段发射、4次货运飞船以及4次载人飞船发射,于2022年完成空间站在轨建造,实现中国载人航天工程“三步走”发展战略第三步的任务目标。

中国空间站天和核心舱发射现场

天和核心舱