“天宫二号”科普来了(四):综合材料实验·设备篇

即将发射的“天宫二号”空间实验室安排了地球科学观测及应用、空间科学实验及探测、应用新技术等领域的十余项高精尖的任务,这些实验有的是在探索宇宙最深处的奥秘,有的是帮助人们更好的认识海洋和大气,有的甚至是在解决将来星际旅行时食物的问题…

如何“玩转”这么多高难度任务并保障它们有序、安全地运行下去呢?代表中国科学院牵头负责的中国科学院空间应用工程与技术中心,承担了“天宫二号”任务规划、总体管理和技术集成工作。

接下来的一段时间里,科学大院将带大家一起了解这些“高大上”太空实验的神奇之处…

今天我们来介绍综合材料实验平台的主体部分——实验炉
《西游记》中,孙悟空被太上老君放在八卦炉中炼了七七四十九日,炼成个金子心肝,银子肺腑,铜头铁背,火眼金睛。这熬炼泼猴的八卦炉内有四大天火之一的六丁神火,乃是太上老君炼丹制宝时所用的无上宝物。西游中大部分顶级装备(比如金箍棒、九齿钉耙和紫金铃)都出自八卦炉。

天上的炉子从未掉落凡间,炼丹制宝的秘密也未从天庭泄露,而今,人间的“炉子”却要上天,这是个啥炉子?为何要上天呢?和太上老君八卦炉相比,它又有什么优势?

实验装置是什么?
即将上天的这个炉子就是工程人员历经三年多的攻关,专门研制的一套综合材料实验装置(简称“实验装置”)。

这套实验装置将随着即将发射的“天宫二号”空间实验室进入太空,开展科学实验。

炉子1

这套实验装置由“材料实验炉”(简称“炉子”)、“材料电控箱”和“材料样品工具袋”三个单机构成。整个装置共约27.6kg重,最大功耗不到200W(而一般电水壶的功率也要1000~1800W),相当于2个100W白炽灯,却能实现真空环境下最高950℃的炉膛温度,是不是令人惊叹?

这可是研制人员花费了极大心血才得来的“高效”啊!

而且这套多功能的通用型材料科学实验装置在本次空间实验中,准备了共计18个样品材料,其中包括12个实验样品、6个热物性测量样品,真可谓能者多劳,一炉多用!

它是怎么工作的?
把炉体拆开来看,里边有2个部分——加热炉单元样品管理单元

整个结构非常类似于左轮手枪,加热炉单元具有一个直径18毫米的炉膛,像是左轮手枪的“枪管”,这个枪管中最高可加热到950℃的高温,空间材料的制备和处理就是在这个高温“枪管”中完成的。

通过控制“枪管”中的温度,可实现材料的熔化和凝固,从而在空间微重力条件下制备出地面难以合成的高质量材料。

炉子2

样品管理单元核心是存储样品的“样品管理仓”

样品管理仓类似于左轮手枪的“弹夹”,它一次能够装6颗“子弹”,即能够完成六种材料样品的高温制备和处理。

当其中某个样品需要进行生长时,就将该样品的料舱对准“枪管”并慢慢将“子弹”推进“枪管”中,然后枪管加热到高温,按预定工艺实现这个工位所装样品的生长。

这套装置的提拉速度,也就是“子弹”在“枪管”中的运动速度,可以控制在每小时0.5毫米到100毫米,最大的移动距离是178毫米。

以这种形式完成一个样品的高温实验后,可以把该样品退回到它所在的“弹夹”中,然后如左轮手枪那样,转动弹夹使得第二个样品料舱到位并将样品送进“枪管”中进行实验,这样可依次完成6个料舱中的样品实验。

炉子3
上述的“弹夹”转位、样品输送、“枪管”加热等一系列动作,均由“材料电控箱”发号施令完成。

“材料电控箱”是这套装置的“大脑”,由许多的元器件及集成电路构成,而这些构件又可以看作是“脑细胞”,也分别具有不同的功能。

“材料电控箱”不但控制着材料实验炉的所有功能和动作,还负责与外界的信息传输和交流,实验装置的供电、实验数据向地面的传输均是通过这个“大脑”与平台的联系来完成的。

讲到这里,实验装置是什么样的,它是怎么工作的,想必大家都清楚了。那可能有细心的读者会提出疑问,“材料样品工具袋”是干什么的呢?另外,为什么“弹夹”中“子弹”的个数(6个)要比我们介绍的实验样品数量(18种)少呢?

“材料样品工具袋”,顾名思义,就是用来装材料样品的,内装有12只安瓿(安瓿是一种密封的样品管),内含需要制备或测试的材料。而由于空间资源的限制,“弹夹”不能想做多大做多大。那么怎么办呢?这就需要我们的航天员出场了。

航天员做什么呢?
“天宫二号”在轨飞行实验期间,驻守的航天员将对材料实验炉进行开盖换样操作,这将是我国首次实现空间材料实验的航天员在轨操作

具体怎么做的呢?

原来18个样品是分三批次进行实验的,每批次进行6个

第一批次6个样品随炉子一起发射升空后直接开展实验,之后由航天员进行炉子开盖换样品操作,将实验后的样品取出放入样品工具袋,接着将第二批次的样品放入材料实验炉内,等第二批实验完成后,再由航天员换上第三批次的样品,并将前两批完成的实验样品装入材料样品工具袋,带回地面,供科学家研究。

那么航天员在轨具体是怎么操作的呢?

炉子7

航天员操作“炉子”

http://v.qq.com/x/page/t03272pvtsf.html

“炉子”操作演示

上天的炉子,亮点在哪里?
“有了金刚钻,才能揽下瓷器活”。

这次上天的18个材料样品,每个材料对实验装置的要求都各不相同,针对众多材料样品提出的关于温场模式、合成工艺控制等方面的新需求,综合材料实验装置引入了多项具有自主知识产权的创新技术。

在保温设计上,采用中科院上海硅酸盐所专利技术,利用自行研发的高密度螺旋盘式内绕法对样品直接加热,既提高了能源利用效率,也方便了加热炉的温场设计。

为了使炉子通电产生的热量牢牢地束缚在炉膛内,该实验炉采用了多层复合结构、高效辐射隔热屏以及上海硅酸盐所自行研制的特种无机涂层材料等技术手段,从而在加热单元只有不足一尺长的空间限制条件下,可实现将炉膛加热到近一千摄氏度的高温。

该温度足以将玻璃或银条熔化掉,而功耗却仅相当于两个100W瓦的白炽灯的功耗。同时,炉子外壁的温度仅几十摄氏度,接近于人体温度。

与以往上天的炉子相比,它有什么改进?
本次的“炉子”整体功能和性能较我国前期的“炉子”有了较大的提高,主要体现在:

(1)采用多个加热器组合的方式,涵盖了不同类型的温场工作模式,还提高了可靠性;

(2)设计寿命比之前的提高了一个数量级;

(3)一次实验的样品数量达到18支,比过去的翻了3翻,可以满足更多种类材料样品的空间制备实验需求。

此外,本次加热炉单元本身设置了多达18个温度传感器,这些传感器遍布在炉体的上、下、内、外,可以全方位地对炉子各点的温度进行有效监控,该项功能是目前国内外其他空间高温材料实验装置所不具有的,为空间高温实验设备温场及空间高温传热特性的深入研究开辟了先河。

实验相关单位
综合材料实验装置由中科院上海硅酸盐研究所牵头,联合中科院国家空间科学中心,中科院兰州技术物理研究所共同承制。

其中上海硅酸盐所作为项目牵头单位负责实验装置整机研制,同时承担材料实验炉中加热炉单元和材料样品工作袋的研制,国家空间科学中心承担“材料电控箱”的研制,兰州技术物理研究所承担材料实验炉中真空室和样品管理单元的研制。

“天宫二号”系列科普:

“天宫二号”科普来了(一):超高精度空间冷原子钟

“天宫二号”科普来了(二):“液桥”是座什么桥?居然要在太空搭!

“天宫二号”科普来了(三):综合材料实验·材料篇

(本文首发于科学大院,由中国科学院上海硅酸盐研究所供稿,转载请注明出处并保留下方二维码)科学大院二维码