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神州系列面窗誕生記—像保護(hù)“眼睛”一樣保護(hù)著航天員



受訪者供圖


  2016年10月16日早上6點,北京航天指揮中心的三樓大廳里,鄭州大學(xué)國家橡塑模具工程研究中心副主任劉春太教授雙眼盯著大屏幕,與200多名一同受邀的專家們一起期待著那一刻的到來。與此同時,韓健教授則在家中和女兒一起守在電視機(jī)前,“5、4、3、2、1,點火!起飛!”,7點30分,神舟十一號發(fā)射升空,并成功進(jìn)入預(yù)定軌道。韓教授指著電視中的畫面向女兒講述起自己與航天面窗的故事。由他們團(tuán)隊研制的航天服頭盔面窗作為“眼睛”
  伴隨著航天員一起進(jìn)入太空。
  自2006年鄭州大學(xué)國家橡塑模具工程研究中心承接面窗制造任務(wù)以來,這樣的等待已經(jīng)是第三次了。
  10年前,由于同時具備國家級別的研究和制造能力,我校國家橡塑模具工程研究中心被總裝備部航天員訓(xùn)練中心委以重任,負(fù)責(zé)自主研制中國第一代航天服“飛天”的部件———頭盔面窗。在沒有任何經(jīng)驗的情況下,研究中心的團(tuán)隊成員們堅持自主研制,從神七、神九再到神十一,“鄭大制造”保障了宇航員的安全,也向外界顯示了鄭大的科技力量。
  “面窗是航天服中最薄弱的環(huán)節(jié),因為它就是一個塑料罩?!眲⒔淌诮忉?,航天服其他部分可以有十幾層來保護(hù)航天員的安全。而面窗罩則不同,它是宇航員的“眼睛”。在大小、厚度一定的情況下,既要保證安全和清晰度,還要考慮宇航員在太空中的生命狀態(tài)和感受,這對面窗的制作工藝帶來極高的挑戰(zhàn)。經(jīng)過無數(shù)次的實驗和驗證,神州十一號面窗罩的透光度已經(jīng)達(dá)到了80%。劉教授笑著說:“比你們戴的眼鏡都要高?!?br>  面窗制作是將米粒大小的顆粒放入高溫環(huán)境中融化成液態(tài)后,通過模具擠壓定形,再冷卻固化?!耙娺^打月餅嗎?把面團(tuán)放進(jìn)模子里,一樣的道理。”劉教授用手比劃出月餅的形狀,“這不像你燒一個陶瓷罐子,只要成型就可以了。制作航天面窗必須要精準(zhǔn)的操作,來控制高分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?!眲⒔淌谶B用了五句“不能有缺陷”來強(qiáng)調(diào)。神州十一號宇航員面窗僅由三層厚度為2.5毫米的塑料膜和一層防護(hù)面窗組成。然而在條件極為苛刻的太空中,想要應(yīng)對來自塵埃、碎片的沖擊和高達(dá)200多度的溫差及強(qiáng)輻射,研究員們需要考慮到方方面面,將實驗精確到每一處細(xì)節(jié)。
  觀察在極大溫差下熱脹冷縮對面窗材料特性的影響時,他們在實驗室做了數(shù)千次高低溫試驗,“白天黑夜連續(xù)地做,有時候需要夜里取樣,那就要一直在旁邊守候?!毖芯恐行牡捻n健教授說。而為了驗證面窗是否能夠承受太空中零下八十度的溫度,他們需要將面窗在每個溫度點的性能都完全測出來。劉教授說道:“這個必須要一絲不茍,只有這樣我們才能知道這個產(chǎn)品在太空中可能會遇到的問題。我們不能改變材料的性質(zhì),但我們可以盡量使材料發(fā)揮出它的最好性能?!?br>  面窗合格與否直接關(guān)系到宇航員的生命,“零缺陷”的嚴(yán)苛要求需要研究中心的專家們隨時做好應(yīng)對失誤的準(zhǔn)備。
  提起“銀紋事件”,九年后的今天,韓教授仍能回憶起當(dāng)時的每一幕。2007年8月,由于對“應(yīng)力”方面的研究不夠深入,神七面窗的初樣出現(xiàn)了銀紋現(xiàn)象,也就是內(nèi)部的高分子鏈條出現(xiàn)斷裂,導(dǎo)致整個團(tuán)隊之前所有的努力全部“歸零”。他至今還記得當(dāng)時載人航天總設(shè)計師在會議上所講的話:“如果我國的航天員在天上,現(xiàn)場直播,全球矚目的時候,面窗出現(xiàn)開裂,將會造成多么大的負(fù)面影響啊!”而那時,距離神舟七號飛船發(fā)射只剩下一年零兩個月。在申長雨院士的帶領(lǐng)下,他們又用了三個月的時間來推倒重來,對每個環(huán)節(jié)都進(jìn)行了改進(jìn),解決了銀紋現(xiàn)象。最終,神七順利飛天。
  從神舟七號、九號再到十一號,隨著研制技術(shù)不斷的突破,以及經(jīng)驗的增多,他們對于航天產(chǎn)品的認(rèn)識也在不斷地加深。負(fù)責(zé)制定成型工藝的甘書鋒工程師說:“剛開始,我們只是把它當(dāng)成一種普通的塑料制品,銀紋事件發(fā)生后,我們明白了絕對要保證航天產(chǎn)品安全,可以說,在面窗系列產(chǎn)品研制過程中,始終貫穿著載人航天萬無一失、精益求精的精神”。
  每一次面窗的制作都要費(fèi)將近兩年的時間來完成整個研制流程,從技術(shù)狀態(tài)確認(rèn)更改、預(yù)先研究、確定研制方案,到工藝評審、初樣研制、各項性能環(huán)境試驗,一直到最后的正樣制造,都離不開整個團(tuán)隊20多名科研工作者的共同努力。2011年,他們榮獲“中國載人航天工程突出貢獻(xiàn)獎”,成為全國二十個獲獎集體之一。
  童第周說過,科研是無窮的領(lǐng)域,需要人們不停地探索。目前,由該團(tuán)隊所研制的第三代航天服面窗初樣已經(jīng)送到中國航天員中心進(jìn)行檢驗,它采取了新型的設(shè)計方案,具有了更長的使用年限,透光度也達(dá)到了85%,將應(yīng)用于太空工作站宇航員出艙活動。劉教授說:“向后展望的話,可能載人登月計劃也會有我們的產(chǎn)品,當(dāng)然,材料、形狀等方面都會對我們有更高的要求,會提出新的挑戰(zhàn),但我們將始終滿懷信心,攻堅克難,繼續(xù)努力為我國航天夢、中國夢的實現(xiàn)奉獻(xiàn)自己的一份力量?!?