天舟一號貨運飛船發射在即，揭秘航天員的空中作業

作者：中國科學院上海硅酸鹽研究所

監製：中國科學院計算機網路信息中心 中國科普博覽

天舟一號是我國自主研製的首艘貨運飛船,按計劃將於4月中下旬在文昌航天發射場由長征七號運載火箭發射。這將標誌著中國載人航天工程勝利完成「三步走」戰略中的「第二步」任務，為空間站建設任務奠定堅實技術基礎。

天舟一號帶著重要的使命：不僅自身獨立飛行3個月，還要對天宮二號空間實驗室實施推進劑在軌加註。

當天舟一號發射入軌後，還將與天宮二號先後進行3次交會對接、3次推進劑在軌補加以及空間應用和航天技術等多領域的實驗項目。

據悉，天舟一號工作時間將達到半年左右。在完成既定任務後，天舟一號將受控離軌，隕落至預定安全海域。

這麼多神秘的任務是怎麼有序安全地運行呢？代表中國科學院牽頭負責的中國科學院空間應用工程與技術中心，承擔了「天宮二號」任務規劃、總體管理和技術集成工作。

我們隨著科學家們的腳步來一探究竟。

綜合材料實驗平台的主體部分——實驗爐

《西遊記》中，孫悟空被太上老君放在八卦爐中煉了七七四十九日，煉成個金子心肝，銀子肺腑，銅頭鐵背，火眼金睛。這熬煉潑猴的八卦爐內有四大天火之一的六丁神火，乃是太上老君煉丹制寶時所用的無上寶物。西遊中大部分頂級裝備（比如金箍棒、九齒釘耙和紫金鈴）都出自八卦爐。

天上的爐子從未掉落凡間，煉丹制寶的秘密也未從天庭泄露，而今，人間的「爐子」卻要上天，這是個啥爐子？為何要上天呢？和太上老君八卦爐相比，它又有什麼優勢？

實驗裝置是什麼？

上天的這個爐子就是工程人員歷經三年多的攻關，專門研製的一套綜合材料實驗裝置（簡稱「實驗裝置」）。

這套實驗裝置隨著「天宮二號」空間實驗室進入太空，開展科學實驗。

這可是研製人員花費了極大心血才得來的「高效」啊！

而且這套多功能的通用型材料科學實驗裝置在本次空間實驗中，準備了共計18個樣品材料，其中包括12個實驗樣品、6個熱物性測量樣品，真可謂能者多勞，一爐多用！

它是怎麼工作的？

把爐體拆開來看，裡邊有2個部分——加熱爐單元和樣品管理單元。

整個結構非常類似於左輪手槍，加熱爐單元具有一個直徑18毫米的爐膛，像是左輪手槍的「槍管」，這個槍管中最高可加熱到950℃的高溫，空間材料的製備和處理就是在這個高溫「槍管」中完成的。

通過控制「槍管」中的溫度，可實現材料的熔化和凝固，從而在空間微重力條件下製備出地面難以合成的高質量材料。

樣品管理單元的核心是存儲樣品的「樣品管理倉」。

樣品管理倉類似於左輪手槍的「彈夾」，它一次能夠裝6顆「子彈」，即能夠完成六種材料樣品的高溫製備和處理。

當其中某個樣品需要進行生長時，就將該樣品的料艙對準「槍管」並慢慢將「子彈」推進「槍管」中，然後槍管加熱到高溫，按預定工藝實現這個工位所裝樣品的生長。

這套裝置的提拉速度，也就是「子彈」在「槍管」中的運動速度，可以控制在每小時0.5毫米到100毫米，最大的移動距離是178毫米。

以這種形式完成一個樣品的高溫實驗後，可以把該樣品退回到它所在的「彈夾」中，然後如左輪手槍那樣，轉動彈夾使得第二個樣品料艙到位並將樣品送進「槍管」中進行實驗，這樣可依次完成6個料艙中的樣品實驗。

上述的「彈夾」轉位、樣品輸送、「槍管」加熱等一系列動作，均由「材料電控箱」發號施令完成。

「材料電控箱」是這套裝置的「大腦」，由許多的元器件及集成電路構成，而這些構件又可以看作是「腦細胞」，也分別具有不同的功能。

「材料電控箱」不但控制著材料實驗爐的所有功能和動作，還負責與外界的信息傳輸和交流，實驗裝置的供電、實驗數據向地面的傳輸均是通過這個「大腦」與平台的聯繫來完成的。

講到這裡，實驗裝置是什麼樣的，它是怎麼工作的，想必大家都清楚了。那可能有細心的讀者會提出疑問，「材料樣品工具袋」是幹什麼的呢？另外，為什麼「彈夾」中「子彈」的個數（6個）要比我們介紹的實驗樣品數量（18種）少呢？

「材料樣品工具袋」，顧名思義，就是用來裝材料樣品的，內裝有12隻安瓿（安瓿是一種密封的樣品管），內含需要製備或測試的材料。而由於空間資源的限制，「彈夾」不能想做多大做多大。那麼怎麼辦呢？這就需要我們的航天員出場了。

航天員做什麼呢？

「天宮二號」在軌飛行實驗期間，駐守的航天員將對材料實驗爐進行開蓋換樣操作，這是我國首次實現空間材料實驗的航天員在軌操作。

具體怎麼做的呢？

原來18個樣品是分三批次進行實驗的，每批次進行6個。

第一批次6個樣品隨爐子一起發射升空後直接開展實驗，之後由航天員進行爐子開蓋換樣品操作，將實驗後的樣品取出放入樣品工具袋，接著將第二批次的樣品放入材料實驗爐內，等第二批實驗完成後，再由航天員換上第三批次的樣品，並將前兩批完成的實驗樣品裝入材料樣品工具袋，帶回地面，供科學家研究。

那麼航天員在軌具體是怎麼操作的呢？

航天員操作「爐子」

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「爐子」操作演示

上天的爐子，亮點在哪裡？

「有了金剛鑽，才能攬下瓷器活」。

這次上天的18個材料樣品，每個材料對實驗裝置的要求都各不相同，針對眾多材料樣品提出的關於溫場模式、合成工藝控制等方面的新需求，綜合材料實驗裝置引入了多項具有自主知識產權的創新技術。

在保溫設計上，採用中科院上海硅酸鹽所專利技術，利用自行研發的高密度螺旋盤式內繞法對樣品直接加熱，既提高了能源利用效率，也方便了加熱爐的溫場設計。

為了使爐子通電產生的熱量牢牢地束縛在爐膛內，該實驗爐採用了多層複合結構、高效輻射隔熱屏以及上海硅酸鹽所自行研製的特種無機塗層材料等技術手段，從而在加熱單元只有不足一尺長的空間限制條件下，可實現將爐膛加熱到近一千攝氏度的高溫。

該溫度足以將玻璃或銀條熔化掉，而功耗卻僅相當於兩個100W瓦的白熾燈的功耗。同時，爐子外壁的溫度僅幾十攝氏度，接近於人體溫度。

與以往上天的爐子相比，它有什麼改進？

本次的「爐子」整體功能和性能較我國前期的「爐子」有了較大的提高，主要體現在：

（1）採用多個加熱器組合的方式，涵蓋了不同類型的溫場工作模式，還提高了可靠性；

（2）設計壽命比之前的提高了一個數量級；

（3）一次實驗的樣品數量達到18支，比過去的翻了3翻，可以滿足更多種類材料樣品的空間製備實驗需求。

此外，本次加熱爐單元本身設置了多達18個溫度感測器，這些感測器遍布在爐體的上、下、內、外，可以全方位地對爐子各點的溫度進行有效監控，該項功能是目前國內外其他空間高溫材料實驗裝置所不具有的，為空間高溫實驗設備溫場及空間高溫傳熱特性的深入研究開闢了先河。

實驗相關單位

綜合材料實驗裝置由中科院上海硅酸鹽研究所牽頭，聯合中科院國家空間科學中心，中科院蘭州技術物理研究所共同承製。

其中，上海硅酸鹽所作為項目牽頭單位負責實驗裝置整機研製，同時承擔材料實驗爐中加熱爐單元和材料樣品工作袋的研製，國家空間科學中心承擔「材料電控箱」的研製，蘭州技術物理研究所承擔材料實驗爐中真空室和樣品管理單元的研製。

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