“嫦娥飛天,羽衣飄飄……”這是神話傳說中的場景。2020年11月24日凌晨,當嫦娥五號探測器飛向月球時,同樣穿著一件特殊的“霓裳羽衣”,它可以有效抵禦高低溫環境,讓“嫦娥”周身感覺“四季如春”。這件神奇的“仙女服”就是探測器的熱控系統。為嫦娥五號“量體裁衣”的,是中國航天科技集團五院北京空間飛行器總體設計部苗建印創新工作室。該工作室2019年獲北京市總工會命名,是以北京空間飛行器總體設計部首席研究員苗建印為領軍人,聚焦航天器熱控技術領域的科研型團隊。這支國際一流、國內頂尖的空間熱控技術研發勁旅成立於1965年,先後研製了20多種先進熱控產品,為我國載人航天、月球探測等國家重大宇航工程作出了重要貢獻。
務實創新研發“散熱神器”
真實的月球並不像我們在地球上看到的那樣恬靜溫柔。它白天“熾烈如火”,夜晚又“冷過冰霜”。航天器登臨月球,要面臨微重力、高真空、極端溫度等一系列特殊空間環境的考驗。如何為航天器內的儀器裝置和航天員提供舒適的溫度條件,是苗建印創新工作室的核心任務。
“‘創新’無疑是我們攻堅克難的利器。”苗建印表示,創新工作室的研發工作首先圍繞“務實”展開,工作室也一直堅持從“基礎理論研究”到“宇航產品研製”全流程的貫通。
2020年12月1日,嫦娥五號探測器成功著陸月球表面。頂著月面正午的烈日,在90℃—110℃高溫下辛勤工作了幾十個小時的探測器“體溫”升高了起來。此時距離上升器月面起飛僅剩十幾個小時,與起飛密切相關的裝置開機後,溫度還將升高,這將對探測器帶來致命的傷害!12月3日9時46分,嫦娥五號的“散熱神器”開始工作,“神器”一執行,溫度立刻降了近10℃。這個“神器”,正是嫦娥五號採用的特殊散熱系統——水昇華器,它透過水工質在真空環境下的昇華,實現熱量的高效率排散。水昇華器的出色表現,有力支撐了嫦娥五號完美的月球取樣返回之旅。
據苗建印介紹,水昇華器包含了複雜的傳熱傳質過程,需要精確控制液態水到固態冰、固態冰到水蒸氣的轉變過程。團隊在10年前就依託自然科學基金,開展了基礎理論研究,發表了高水平的論文。但是,團隊並沒有滿足和止步於發表幾篇高水平論文,而是面向宇航工程應用,基於理論支援,確定關鍵技術進行突破,最終研製出國際上適應溫度條件最高的水昇華器產品,併成功應用。這次實踐充分印證了工作室以務實為核心的創新價值理念。
堅持自主創新實現超越
核心技術買不來,唯有堅持“自主創新”,才能實現從跟蹤、並跑到領跑的超越式發展。
據苗建印介紹,上世紀80年代,蘇聯首先發明瞭環路熱管,被航天界公認為最有發展前景的高效傳熱技術。2000年前後,我國引進了相關產品。“我們引進了產品,並沒有急於應用,而是從空間環境約束下的基本物理規律入手,去吃透技術。”
苗建印說,令科研團隊意想不到的是,引進產品存在非常難以發現的多處致命缺陷。比如不適應於微重力環境、不能長期連續使用等。而吃透技術這一過程,科研團隊用了10年。在此期間,形成發明專利22項,技術秘密10項。“透過引進、吸收和再創新,使我國的環路熱管技術實現完全自主可控,支撐了嫦娥五號、空間站等一批重大宇航任務的實施。”
2018年,苗建印創新工作室成功研製出具有國際領先水平的新一代環路熱管產品,核心指標比國外產品提高了3倍。在義大利舉辦的國際熱管會議評價其為“在熱管科學和技術領域具有深遠影響的創新和發明”,並榮獲相關大獎。苗建印認為,是堅持自主創新,使團隊實現了國際範圍內的領先和超越。
打破傳統束縛勇於逐夢
2013年12月14日,嫦娥三號實現了我國首次月面軟著陸。此後又創造了人類航天史上月面生存時間最長的記錄。苗建印說,能夠創造這一紀錄,源於中國航天人敢於打破傳統束縛的理念,勇於創新逐夢。
“過去我們是跟著人家走,常問的一句話是,‘國外是這麼做的嗎?’當你突然發現沒有了路或者外國人的路並不好時,我們要敢於打破傳統束縛。”苗建印表示,月面生存最大的挑戰之一是“月夜無電力供應、-180℃的月夜深低溫環境”。然而美國、蘇聯曾經的方案都有電力供應,如何破解?團隊徹底打破了美國和蘇聯方案的束縛,在國際上首創性提出了“月球重力驅動兩相流體迴路+同位素熱源”的月夜生存熱量供給方案,解決了嫦娥三號的月夜生存難題。“敢於打破傳統束縛,勇於創新,是我們逐夢蒼穹的又一法寶!”
針對火星車沒有同位素熱源、火夜保溫用電能源緊張等難題,以及火面存在氣體對流與低溫等惡劣環境,開展了火面二氧化碳氣體原位利用技術、能夠適應非真空環境的奈米氣凝膠隔熱技術、火星太陽能高效收集儲存與利用技術等研究,突破了小空間滯止二氧化碳氣體原位利用、奈米氣凝膠封裝等關鍵技術,取得了火面探測器高效隔熱設計方法、太陽能高效收集儲存與利用設計方法等,並申請了多項國防專利,保障了在無同位素熱源條件下火星車熱控系統的研製(國外同類探測器都利用同位素熱源),有力支撐了首次火星探測等重要宇航任務研製、火星取樣返回任務的方案論證。
成立半個多世紀以來,創新工作室所在團隊孕育出了一大批航天領域熱控專業核心人才。如今,在首席研究員和技術帶頭人苗建印帶領下,一支熱控“特種部隊”在中國航天領域衝鋒在前,拔掉了一個又一個阻擋在航天路上的技術堡壘,為中國航天事業騰飛提供了有力支撐。苗建印表示,創新工作室將始終秉承“專業報國、自強不息”的精神,以“掌控冷暖、領跑世界”為目標,持續不懈努力,為實現“航天夢、強軍夢、中國夢”貢獻自己的力量。