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神州系列面窗诞生记—像保护“眼睛”一样保护着航天员



受访者供图


  2016年10月16日早上6点,北京航天指挥中心的三楼大厅里,郑州大学国家橡塑模具工程研究中心副主任刘春太教授双眼盯着大屏幕,与200多名一同受邀的专家们一起期待着那一刻的到来。与此同时,韩健教授则在家中和女儿一起守在电视机前,“5、4、3、2、1,点火!起飞!”,7点30分,神舟十一号发射升空,并成功进入预定轨道。韩教授指着电视中的画面向女儿讲述起自己与航天面窗的故事。由他们团队研制的航天服头盔面窗作为“眼睛”
  伴随着航天员一起进入太空。
  自2006年郑州大学国家橡塑模具工程研究中心承接面窗制造任务以来,这样的等待已经是第三次了。
  10年前,由于同时具备国家级别的研究和制造能力,我校国家橡塑模具工程研究中心被总装备部航天员训练中心委以重任,负责自主研制中国第一代航天服“飞天”的部件———头盔面窗。在没有任何经验的情况下,研究中心的团队成员们坚持自主研制,从神七、神九再到神十一,“郑大制造”保障了宇航员的安全,也向外界显示了郑大的科技力量。
  “面窗是航天服中最薄弱的环节,因为它就是一个塑料罩。”刘教授解释,航天服其他部分可以有十几层来保护航天员的安全。而面窗罩则不同,它是宇航员的“眼睛”。在大小、厚度一定的情况下,既要保证安全和清晰度,还要考虑宇航员在太空中的生命状态和感受,这对面窗的制作工艺带来极高的挑战。经过无数次的实验和验证,神州十一号面窗罩的透光度已经达到了80%。刘教授笑着说:“比你们戴的眼镜都要高。”
  面窗制作是将米粒大小的颗粒放入高温环境中融化成液态后,通过模具挤压定形,再冷却固化。“见过打月饼吗?把面团放进模子里,一样的道理。”刘教授用手比划出月饼的形状,“这不像你烧一个陶瓷罐子,只要成型就可以了。制作航天面窗必须要精准的操作,来控制高分子的内部结构。”刘教授连用了五句“不能有缺陷”来强调。神州十一号宇航员面窗仅由三层厚度为2.5毫米的塑料膜和一层防护面窗组成。然而在条件极为苛刻的太空中,想要应对来自尘埃、碎片的冲击和高达200多度的温差及强辐射,研究员们需要考虑到方方面面,将实验精确到每一处细节。
  观察在极大温差下热胀冷缩对面窗材料特性的影响时,他们在实验室做了数千次高低温试验,“白天黑夜连续地做,有时候需要夜里取样,那就要一直在旁边守候。”研究中心的韩健教授说。而为了验证面窗是否能够承受太空中零下八十度的温度,他们需要将面窗在每个温度点的性能都完全测出来。刘教授说道:“这个必须要一丝不苟,只有这样我们才能知道这个产品在太空中可能会遇到的问题。我们不能改变材料的性质,但我们可以尽量使材料发挥出它的最好性能。”
  面窗合格与否直接关系到宇航员的生命,“零缺陷”的严苛要求需要研究中心的专家们随时做好应对失误的准备。
  提起“银纹事件”,九年后的今天,韩教授仍能回忆起当时的每一幕。2007年8月,由于对“应力”方面的研究不够深入,神七面窗的初样出现了银纹现象,也就是内部的高分子链条出现断裂,导致整个团队之前所有的努力全部“归零”。他至今还记得当时载人航天总设计师在会议上所讲的话:“如果我国的航天员在天上,现场直播,全球瞩目的时候,面窗出现开裂,将会造成多么大的负面影响啊!”而那时,距离神舟七号飞船发射只剩下一年零两个月。在申长雨院士的带领下,他们又用了三个月的时间来推倒重来,对每个环节都进行了改进,解决了银纹现象。最终,神七顺利飞天。
  从神舟七号、九号再到十一号,随着研制技术不断的突破,以及经验的增多,他们对于航天产品的认识也在不断地加深。负责制定成型工艺的甘书锋工程师说:“刚开始,我们只是把它当成一种普通的塑料制品,银纹事件发生后,我们明白了绝对要保证航天产品安全,可以说,在面窗系列产品研制过程中,始终贯穿着载人航天万无一失、精益求精的精神”。
  每一次面窗的制作都要费将近两年的时间来完成整个研制流程,从技术状态确认更改、预先研究、确定研制方案,到工艺评审、初样研制、各项性能环境试验,一直到最后的正样制造,都离不开整个团队20多名科研工作者的共同努力。2011年,他们荣获“中国载人航天工程突出贡献奖”,成为全国二十个获奖集体之一。
  童第周说过,科研是无穷的领域,需要人们不停地探索。目前,由该团队所研制的第三代航天服面窗初样已经送到中国航天员中心进行检验,它采取了新型的设计方案,具有了更长的使用年限,透光度也达到了85%,将应用于太空工作站宇航员出舱活动。刘教授说:“向后展望的话,可能载人登月计划也会有我们的产品,当然,材料、形状等方面都会对我们有更高的要求,会提出新的挑战,但我们将始终满怀信心,攻坚克难,继续努力为我国航天梦、中国梦的实现奉献自己的一份力量。”