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科学圆桌会|空间力学专家:天舟十号带上天的这组试验,将解决三大“太空烦恼”

新华社天津5月28日电 题:空间力学专家:天舟十号带上天的这组试验,将解决三大“太空烦恼” 5月11日早上8点多,天舟十号货运飞船带着将近6.2吨补给物资飞向中国空间站。这里头,有一套挺特别的试验装置,主要任务不是送货,而是挂到空间站外面,干几件关键的事情——说白了,就是要攻克极端环境下,材料怎么抗

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    新华社天津5月28日电 题:空间力学专家:天舟十号带上天的这组试验,将解决三大“太空烦恼”

    5月11日早上8点多,天舟十号货运飞船带着将近6.2吨补给物资飞向中国空间站。这里头,有一套挺特别的试验装置,主要任务不是送货,而是挂到空间站外面,干几件关键的事情——说白了,就是要攻克极端环境下,材料怎么抗磨损、怎么防护、甚至怎么自己修复的难题。

    说起来,这背后是我们团队20多年在空间力学领域的积累,而这次,是头一回真正跑到太空里去“真刀真枪”地验证。眼瞅着6月初就要到了,团队里的年轻人开玩笑,说感觉像“梦回高考”。说实话,当老师的我也难免紧张,每天盯着空间站传回来的最新数据,一边调整方案,一边严阵以待。

    这套装置将在轨工作整整一年,测试结果很可能给未来航天器提供一种全新的防护思路——不再只是“被动挨打”,而是具备“主动再生”的能力。通俗点说,就是能自己愈合伤口、自行清理尘埃。这背后,对我国下一步的月球、火星及其他深空探测任务,将是关键支撑。

    科学圆桌会|空间力学专家:天舟十号带上天的这组试验,将解决三大“太空烦恼”

    三大科学目标,专门瞄准“太空烦恼”

    那么,这试验装置到底是来解决哪些烦恼的?它又能给人类带来什么新技术和新理念?简单概括一下,这组在轨试验要实现三个目标:空间尘埃防护与清除、材料抗磨损验证、材料自修复验证。一句话概括就是,让航天器在太空实现“除尘”和“自愈”。

    灰尘和破损,在地球上那都不是事,但在太空那种极端、无人的环境里,一颗尘埃、一道划痕,可能就会变成致命威胁。

    还记得2018年席卷火星的那场全球性沙尘暴吗?直接导致“机遇号”探测器太阳能电池板蒙上厚厚一层灰,再也充不了电,永远失联。

    再往早说,阿波罗登月那些宇航员发现,月球尘埃细得像滑石粉,但锋利程度堪比玻璃。它们钻进仪器能引起温度异常,飘进飞船里让宇航员一边咳嗽一边眼睛刺痛。至于舱外航天服,经过几次任务后,手套和关节处早就磨得不成样子,直接报废。

    正是这些真实发生过的“太空烦恼”,让团队提了三个应对方案。

    试验一:给设备表面装上“电学窗帘”

    在太空里,宇航员不可能天天出舱去擦灰。怎么除尘?我们用的是一种叫“电帘除尘”的方法。

    原理很简单:在太阳能电池板的玻璃盖片下面,铺一层透明的电极。然后按特定方式通上电,电极上方就会形成一道移动的电荷“台阶”。这个带电的“台阶”就像一把无形的扫帚,推着尘埃颗粒定向移动,最终从表面“跳离”。

    试验装置上配了一套高分辨率相机,会实时记录尘埃的运动轨迹,再通过图像分析,算出到底能扫掉多少灰——也就是除尘效率。

    一旦验证成功,未来不管是月球车的太阳能板,还是火星基地的玻璃穹顶,都能涂上或贴上这样的“电帘膜”。需要除尘时,通上电就行,宇航员再也不用亲自出舱搞“大扫除”了。

    试验二:把材料暴露在太空中“磨一磨”

    第二项任务更直接:做真实的太空磨损测试。

    我们把一批航天服面料、舱外设备材料的样品,直接暴露在空间站外的极端环境中。那里有剧烈的温度交变、强紫外线和原子氧的侵蚀。经过一整年的“风吹日晒”和“细细研磨”,这些样品将被航天员取回舱内,随神舟飞船带回地面。

    之后,我们会做力学拉伸、光学反射等一系列测试,与地面样品逐项比对,精确回答:哪种材料更耐磨?在太空到底能“活”多久?

    这本质上就是在为未来的月球基地、火星行走“选材”。航天服恐怕要连续工作数小时甚至几十小时,材料的寿命直接决定了航天员的安全底线。

    试验三:刺破材料,然后看着它“愈合”

    让材料自己修复破损,听起来有点像科幻,但在试验装置里,这事真就这么干了。

    装置内有一个直线电机,可以按指令用极细的探针刺穿试验件。刺破之后,破损区域在空间紫外辐射等环境因素刺激下,材料内部预埋的修复剂会迅速涌向破口,发生化学反应,把划痕“填平愈合”。在轨期间,成像系统会全程盯着修复过程,记录修复速度和强度恢复的程度。

    这项技术一旦成熟,未来的航天服、密封舱壁、甚至柔性太阳能翼,都有可能在小损伤出现后“自愈无声”。这对航天器可靠性和使用寿命的提升,将是巨大的飞跃。

    从被动抵御到主动再生

    搞航天防护,一直有个核心思路:过去是靠“堆厚度”“换硬材料”,碰上灰尘和微小破损经常束手无策。而现在的问题是,怎么让材料表面“活”起来,既能主动清污、抗磨损,还能自我愈合。

    这三项试验获取的真实在轨数据,将直接服务于我国未来的月球科研站、火星采样返回,甚至更远的小行星探测。目标很明确:让太阳能电池阵常年高效发电,让航天服能自行修复微小划伤,让舱外设备寿命从几年拉长到十几年。

    更重要的是,“主动再生”这种防护思想,未来在精密仪器、柔性电子、深海装备等领域,同样有广阔的想象空间。

    说起来,项目研制团队此前已经为嫦娥三号、嫦娥五号、天问一号等重大工程,完成过相关的配套研制和研究任务。未来一年,我们或许会看到这样一段来自中国空间站的画面:阳光下,一片布满电极的试验板上,模拟的尘埃正整齐地滑向边缘;与此同时,一个小小的刺破点在太空辐射下,正安静地“长平”伤口。

    这些看似微小的变化,正是人类安全走向深空的重要一步。仰望星空,更要让脚下的每一步走得踏实、走得聪明。(作者系天津大学机械工程学院教授崔玉红)

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