崔曉杰, 陸登柏, 馬動(dòng)濤, 康昌璽, 孫晉川

(蘭州空間技術(shù)物理研究所, 蘭州 730000)

1 引言

材料科學(xué)主要研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、屬性和加工過(guò)程之間的關(guān)系。在地面,這些關(guān)系受重力的強(qiáng)烈影響,很難對(duì)材料微觀現(xiàn)象獲得深入認(rèn)識(shí)。而空間微重力和超高真空等環(huán)境可以為材料科學(xué)研究提供特殊的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,浮力對(duì)流、沉淀、流體靜力學(xué)壓力等因素的影響變得很弱或者消失,可以簡(jiǎn)化對(duì)材料機(jī)理的研究[1-4]。因此,在空間微重力環(huán)境下開(kāi)展高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究對(duì)于認(rèn)知材料物理與化學(xué)過(guò)程的本征規(guī)律、豐富和完善材料科學(xué)基礎(chǔ)理論、指導(dǎo)和推動(dòng)地基材料的制備工藝和生產(chǎn)、改善材料性能以及促進(jìn)地面相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

開(kāi)展空間材料科學(xué)及應(yīng)用研究,有賴于空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的技術(shù)支撐,其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的成敗,其功能和技術(shù)指標(biāo)決定了空間材料科學(xué)研究?jī)?nèi)容的深度和廣度。在國(guó)際空間站 (ISS)的科學(xué)研究活動(dòng)中,美國(guó)航空航天局(NASA)的命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙(Destiny)、歐空局(ESA)的哥倫布實(shí)驗(yàn)艙(Columbus),日本宇宙事業(yè)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)的希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙(Kibo)均安裝了空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)展了空間材料科學(xué)及相關(guān)交叉學(xué)科的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究工作。俄羅斯空間局研制了MEP-01 多區(qū)真空爐將在后期安裝于ISS 的俄羅斯艙段中用于空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)[5-8]。中國(guó)空間材料科學(xué)及其實(shí)驗(yàn)技術(shù)在經(jīng)過(guò)六十多年的開(kāi)發(fā)研究,也已經(jīng)取得了十分顯著的成果。

本文系統(tǒng)總結(jié)國(guó)外典型空間高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)和國(guó)內(nèi)空間高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展歷程,并根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)出研制關(guān)鍵技術(shù),最后針對(duì)目前國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀提出了幾點(diǎn)思考。

2 高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

1969 年蘇聯(lián)在聯(lián)盟六號(hào)飛船上首次用火與鍛冶之神空間爐進(jìn)行了金屬焊接和合金熔化、結(jié)晶實(shí)驗(yàn)[6]。后續(xù)俄、美、歐、日、加等主要空間技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家地區(qū)通過(guò)幾十年的空間材料科學(xué)探索,均已積累了豐富的空間實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并為配合空間材料科學(xué)研究建立了大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)施。當(dāng)前,國(guó)際上的空間材料科學(xué)研究主要圍繞著ISS 進(jìn)行。在ISS 上的空間材料設(shè)備已經(jīng)在各微重力實(shí)驗(yàn)艙段內(nèi)投入使用,這些設(shè)備在一定程度上體現(xiàn)了當(dāng)今國(guó)際上空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的新技術(shù)、新趨勢(shì)。下面以國(guó)外幾種最具代表性的空間材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備為例,剖析其主要特征。

2.1.1 NASA

ISS 計(jì)劃實(shí)施以后,NASA 研制了多種等新型空間材料實(shí)驗(yàn)裝置, 其中如淬火模塊插件(Quench Module Insert,QMI)和擴(kuò)散模塊插件(Diffusion Module Insert,DMI)布置在Destiny 實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的空間材料科學(xué)有效載荷標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)柜中,如圖1 所示[9-11]。NASA 開(kāi)展的空間材料實(shí)驗(yàn)范圍十分廣泛,并主要側(cè)重于基礎(chǔ)研究,強(qiáng)調(diào)獲取先進(jìn)知識(shí),探索微重力條件下材料的物理和化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì),為地面材料科學(xué)相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展作貢獻(xiàn)。

圖1 命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的材料科學(xué)研究機(jī)柜[10]Fig.1 M aterials science research rack of Destiny[10]

NASA 研制的QMI 插件是一個(gè)典型的材料實(shí)驗(yàn)?zāi)K裝置,配置在國(guó)際空間站的MSL 機(jī)柜上,主要用于金屬合金材料加工和后續(xù)淬火處理,其爐型為五段梯度爐,三段加熱溫區(qū)分別為:增強(qiáng)加熱區(qū)、主加熱區(qū)和引導(dǎo)加熱區(qū)。熱軸最高溫度為1400 ℃,溫度穩(wěn)定度± 0.3 ℃ ,樣品尺寸:Φ27 mm×200 mm。

NASA 研制的DMI 裝置是另一種用在國(guó)際載人空間站MSL 機(jī)柜上的材料實(shí)驗(yàn)?zāi)K,主要用于半導(dǎo)體材料的試驗(yàn),如圖2 所示[10]。其爐型為五段加熱電阻爐,兼有等溫和梯度模式,應(yīng)用目標(biāo)為半導(dǎo)體材料的熱擴(kuò)散試驗(yàn),最高溫度為1600 ℃,爐膛直徑Φ50 mm,樣品直徑Φ48 mm,溫度穩(wěn)定度±0.3 ℃。該模塊直徑Φ22 cm,長(zhǎng)度可達(dá)62 cm,在真空環(huán)境中作業(yè)。

圖2 擴(kuò)散模塊插件[10]Fig.2 Diffusion module insert[10]

2.1.2 ESA

ESA 在空間材料科學(xué)領(lǐng)域一直十分活躍,空間實(shí)驗(yàn)的數(shù)量?jī)H次于俄羅斯。ESA 最早于1975年利用探空火箭開(kāi)展短時(shí)間的微重力材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)。歐洲研究人員主要利用D1、D2、IML-1、IML-2、Eureca、Euro-Mir94、Euro-Mir95 和美國(guó)的天空實(shí)驗(yàn)室(Skylab)、阿波羅-聯(lián)盟試驗(yàn)計(jì)劃(ASTP)、航天飛機(jī),以及俄羅斯的光子號(hào)衛(wèi)星等開(kāi)展空間材料研究。ISS 計(jì)劃實(shí)施以后,ESA 與NASA 密切合作,針對(duì)ISS 應(yīng)用研發(fā)了一系列空間材料實(shí)驗(yàn)裝置,如低溫度梯度熔爐(Low Gradient Furnace,LGF)等。

ESA 研制的LGF 是一種獨(dú)立運(yùn)行的材料空間試驗(yàn)設(shè)備,作為載人空間站材料試驗(yàn)設(shè)備放在MSRR-1(Materials Science Research Rack) 機(jī)柜的MSL(Materials Science laboratory)試驗(yàn)?zāi)K內(nèi),其主要特點(diǎn)是工作溫度高,溫度控制精度高,并加裝了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)裝置,用于減少生長(zhǎng)材料中由徑向溫度梯度引起的組分不一致等影響研究。其爐型為七段加熱梯度爐,最高工作溫度為1600 ℃,溫度穩(wěn)定度±0.02 ℃(在800 ℃ 時(shí)),溫度均勻性≤0.5 ℃(周向),≤1 ℃(軸向),爐膛直徑Φ30 mm,樣品尺寸Φ28 mm×150 mm,磁場(chǎng)強(qiáng)度0～5 mT(垂直于樣品軸向),外形尺寸Φ220×420 mm[10-12]。

2.1.3 JAXA

日本JAXA 于1980 年開(kāi)始利用TT-500A 火箭開(kāi)展微重力材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。由于日本的航天技術(shù)還不成熟,JAXA 主要還是利用NASA、ESA 以及中國(guó)的航天器提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。ISS 開(kāi)始組建后,日本的空間材料實(shí)驗(yàn)研究獲得了迅速發(fā)展的機(jī)遇。JAXA目前開(kāi)發(fā)的空間材料實(shí)驗(yàn)裝置除靜電懸浮裝置外,還有GHF(Gradient Heating Furnace)裝置等,如圖3 所示[10]。

日本JAXA 研制的GHF 空間材料裝置安裝在國(guó)際空間站的JEM(Japanese Experiment Module)艙內(nèi)。在GHF 爐中試驗(yàn)樣品采用鏈條式傳送模式,可批次自動(dòng)開(kāi)展多樣品實(shí)驗(yàn),同時(shí)該設(shè)備的工作溫度較高,可進(jìn)行多種材料的空間加工試驗(yàn),是一款功能性能都較先進(jìn)的空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其爐型為爐體移動(dòng)式三段加熱爐。工作溫度1600 ℃ (最高可達(dá)1700 ℃),溫度穩(wěn)定度± 0.2 ℃,控溫精度± 0.4%,樣品尺寸Φ32×320 mm,樣品數(shù)量15 個(gè)[10-13]。

2.1.4 俄羅斯

俄羅斯光子號(hào)飛船上使用的空間材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備是在光子號(hào)衛(wèi)星上進(jìn)行試驗(yàn)的POLIZON 爐,如圖4 所示[13]。它的最高加熱溫度是1300 ℃,樣品最大可移動(dòng)長(zhǎng)度為300 mm,加熱爐溫區(qū)個(gè)數(shù)7個(gè),樣品夾尺寸Φ34 mm×350 mm,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)0 ～5 mT,一次可裝樣品數(shù)量12 個(gè)[11-14]。

圖4 POLIZON 加熱爐[13]Fig.4 POLIZON furnace[13]

俄羅斯的POLIZON 已在光子號(hào)飛船上進(jìn)行過(guò)多次空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)。其特點(diǎn)是一次可完成12 個(gè)樣品的空間實(shí)驗(yàn),樣品尺寸大,生長(zhǎng)速度跨度寬,溫控和加熱爐功能非常先進(jìn),能夠?qū)崿F(xiàn)多種溫場(chǎng)分布,還附帶有場(chǎng)強(qiáng)為5 mT 的附加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),滿足不同實(shí)驗(yàn)材料的需求,在樣品安瓿及樣品夾的設(shè)計(jì)等方面也很有特色。

2.1.5 加拿大

加拿大空間局近年開(kāi)發(fā)的ATEN(Advanced Thermal Environment)裝置如圖5 所示[11]。它具有7 個(gè)溫區(qū),可以提供等溫、梯度、區(qū)熔和梯度移動(dòng)等溫場(chǎng)來(lái)進(jìn)行材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)。具有制冷系統(tǒng),可在材料加工過(guò)程中提供較大的溫度梯度?？販胤秶?00 ～1300 ℃,精度±0.25%,溫度梯度5 ～50 ℃/cm,樣品尺寸Φ10 mm×80 mm。無(wú)須航天員干預(yù),可自動(dòng)加工40 個(gè)樣品。設(shè)備安裝在微重力振動(dòng)隔離座上,具有低振動(dòng)環(huán)境,設(shè)備功耗為120 W[11-13]。

圖5 ATEN 設(shè)備[11]Fig.5 ATEN equipment[11]

ATEN 的設(shè)計(jì)構(gòu)思非常巧妙,最大限度地利用了所有的空間,通過(guò)一套復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),在有限的空間內(nèi)可完成多達(dá)40 個(gè)樣品的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。其設(shè)計(jì)巧妙之處在于它在如此有限的空間內(nèi)還具有一套制冷系統(tǒng),為需要進(jìn)行速冷的樣品提供了淬火的手段。該裝置具有體積小、重量輕、功耗小、加工樣品數(shù)量多、可進(jìn)行多種材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)等特點(diǎn)。

綜上,這幾種設(shè)備的性能對(duì)比如表1 所示。

表1 國(guó)外先進(jìn)空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of foreign advanced space material science experimental equipment

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

1987 年8 月,中國(guó)首次利用第九顆返回式衛(wèi)星搭載的空間多用途材料加工爐,在空間成功開(kāi)展了半導(dǎo)體、金屬合金及亞穩(wěn)材料、復(fù)合材料、功能單晶等材料的制備實(shí)驗(yàn)與性能研究工作。此后,國(guó)內(nèi)陸續(xù)成功研制了各種用途的空間材料實(shí)驗(yàn)裝置,先后9 次搭載返回式衛(wèi)星、3 次作為神舟飛船的有效載荷以及在天宮一號(hào)和天宮二號(hào)上搭載的材料實(shí)驗(yàn)爐圓滿完成了一系列空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù),取得一批重要的研究成果[15-19]。按照國(guó)內(nèi)空間材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭載航天器平臺(tái)的發(fā)展歷程,可以概括為搭載返回式衛(wèi)星和神舟號(hào)系列飛船的單批次材料實(shí)驗(yàn)爐、搭載天宮號(hào)系列飛船的多批次可人工換樣操作的綜合材料實(shí)驗(yàn)爐和空間站長(zhǎng)期在軌的高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜3 個(gè)階段。下面以國(guó)內(nèi)各階段具有代表性的空間材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備為例,剖析其主要特征。

2.2.1 單批次材料實(shí)驗(yàn)爐

在載人航天工程一期,由中科院上海硅酸鹽所、中科院空間中心和蘭州空間技術(shù)物理研究所聯(lián)合研制間成功的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)采用閉環(huán)控制多樣品的多工位晶體生長(zhǎng)爐,如圖6 所示[17]。多工位晶體生長(zhǎng)爐采用多樣品設(shè)計(jì),在一次飛行試驗(yàn)中可以進(jìn)行6 種以上材料的空間實(shí)驗(yàn),采用了高效節(jié)能、精密控制、樣品置換等專利技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì),具有體積小、重量輕、功耗低、多樣品和高可靠性等航天產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn),該裝置在中國(guó)神舟二號(hào)和神舟三號(hào)飛船上,圓滿完成空間實(shí)驗(yàn)任務(wù)。多工位晶體生長(zhǎng)爐最高加熱溫度950 ℃,工作艙位6 個(gè),樣品安瓿尺寸Φ21.8 mm×260 mm,加熱爐 控 溫 穩(wěn) 定 度 ±1 ℃, 爐 體 外 殼 溫 度≤40 ℃[20-24]。

圖6 多工位晶體生長(zhǎng)爐[17]Fig.6 Multi-station crystal grow th furnace[17]

2016 年4 月,中國(guó)首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星-實(shí)踐十號(hào)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功并成功返回。實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星中搭載了由中科院上海硅酸鹽所、中科院空間中心和蘭州空間技術(shù)物理研究所聯(lián)合研制的多功能材料合成爐,如圖7 所示[25-27]。多功能材料合成爐控制單元、加熱單元和樣品管理單元共同置于一個(gè)真空室內(nèi)部,加熱爐最高加熱溫度是950 ℃,工作艙位6 個(gè),樣品安瓿尺寸Φ16 mm×231 mm,加熱爐控溫穩(wěn)定度±0.5 ℃。

圖7 多功能材料合成爐[26]Fig.7 M ulti-function material synthesis furnace[26]

2.2.2 多批次可人工換樣的綜合材料實(shí)驗(yàn)爐

2016 年9 月至12 月,在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室中搭載的綜合材料實(shí)驗(yàn)爐在軌成功完成了3 批次18 支材料樣品的在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)[28-29]。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次在軌人工參與的材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)制備和多批次樣品的管理和更換。該裝置最大的特點(diǎn)在于利用最小空間設(shè)計(jì)了最多樣品實(shí)驗(yàn),設(shè)備密封性能良好,航天員通過(guò)開(kāi)、合蓋操作可進(jìn)行多批次樣品換樣操作。綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置主要由材料實(shí)驗(yàn)爐和材料電控箱組成,材料實(shí)驗(yàn)爐由中科院上海硅酸鹽所和蘭州空間技術(shù)物理研究所共同研制,材料電控箱由中科院空間中心研制。其中,綜合材料實(shí)驗(yàn)爐加熱爐和實(shí)驗(yàn)樣品共用一個(gè)真空室,爐體不移動(dòng)。加熱爐爐型為雙溫區(qū)電阻爐,樣品工位數(shù)6 個(gè),工作溫度最高可達(dá)950 ℃,外殼溫度小于45 ℃?？販胤€(wěn)定度≤±0.5 ℃,安瓿尺寸Φ16 mm×260 mm。天宮二號(hào)綜合材料實(shí)驗(yàn)爐如圖8 所示,樣品夾及實(shí)驗(yàn)樣品如圖9 所示[29]。

圖8 綜合材料實(shí)驗(yàn)爐[29]Fig.8 Com prehensive m aterials experim ental furnace[29]

圖9 樣品夾及實(shí)驗(yàn)樣品[29]Fig.9 Sample cartridge and experimental sample[29]

2.2.3 空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜

中國(guó)載人空間站應(yīng)用任務(wù)總體規(guī)劃了高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和無(wú)容器材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜,本文重點(diǎn)對(duì)高溫材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行分析研究。高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜主要用于開(kāi)展微重力環(huán)境下高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究,是中國(guó)新一代集成化程度最高的空間材料實(shí)驗(yàn)裝置[30]。通過(guò)充分利用中國(guó)空間站提供的艙內(nèi)空間環(huán)境資源,以及航天員在軌操作、維護(hù)、更換能力,成功研發(fā)可滿足未來(lái)有人參與和可長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的、新一代具有先進(jìn)性和綜合性的多功能高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜,形成既適應(yīng)當(dāng)下需求,又兼顧未來(lái)擴(kuò)展的專用實(shí)驗(yàn)柜,滿足未來(lái)10 年以上科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求?？臻g站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜將提供更廣泛的制備材料體系范圍、更多的主動(dòng)控制技術(shù)手段、更豐富的在線反饋信息以及更加符合材料實(shí)驗(yàn)需求的熱加工條件。空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜已搭載空間站實(shí)驗(yàn)艙于2022 年10 月發(fā)射升空。

高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜由柜體和科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)兩部分組成。高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝在柜體上,主要包括高溫爐模塊、批量樣品管理模塊、X 射線投射成像模塊、控制模塊等子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)的空間布局如圖10 所示。高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜具有高溫材料制備實(shí)驗(yàn)功能、X 射線透射成像功能和對(duì)材料實(shí)驗(yàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)觀察功能。高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜通過(guò)模塊化設(shè)計(jì),可依據(jù)功能需求在軌進(jìn)行模塊化更換。航天員通過(guò)開(kāi)啟批量樣品管理模塊密封門(mén)進(jìn)行批量換樣操作,單批次放置樣品盒數(shù)量16 個(gè),樣品最大尺寸Φ20 mm×160 mm。加熱爐設(shè)計(jì)最高溫度1600 ℃, 溫度穩(wěn)定度≤±0.25 ℃/h,3 個(gè)加熱區(qū),具有等溫、梯度或區(qū)熔溫場(chǎng)模式。同時(shí),高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜具有水冷和附加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)功能,可實(shí)現(xiàn)樣品較快速度主動(dòng)冷卻和對(duì)熔體流動(dòng)的主動(dòng)控制。

圖10 空間站高溫科學(xué)試驗(yàn)柜Fig.10 Space station high tem perature m aterials rack

綜上,國(guó)內(nèi)這幾種設(shè)備的性能對(duì)比如表2 所示。

表2 國(guó)內(nèi)空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能對(duì)比Table 2 Performance comparison of Chinese space material science experimental equipment

空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜綜合能力較中國(guó)以往的空間材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備有顯著的提升,具有明顯的技術(shù)先進(jìn)性。與國(guó)外空間材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較,主要技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到或者優(yōu)于國(guó)外水平。此外,包含X 射線投射成像和光學(xué)實(shí)時(shí)觀察的在軌實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),將極大提升材料實(shí)驗(yàn)過(guò)程的在軌實(shí)時(shí)檢測(cè)能力。同時(shí),高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜在標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和控制自動(dòng)化方面可以進(jìn)一步優(yōu)化,建立可長(zhǎng)期在軌進(jìn)行綜合化、集成化的空間材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高溫發(fā)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

加熱裝置對(duì)樣品的有效和穩(wěn)定加熱是關(guān)系材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)水平的一個(gè)重要指標(biāo)。中國(guó)已在軌應(yīng)用的空間高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置最高溫度均低于1000 ℃,空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜設(shè)計(jì)的最高工作溫度1600 ℃或者更高溫度,常規(guī)的金屬電阻發(fā)熱材料已不適用,因此需要解決發(fā)熱體材料體系的選擇與組份優(yōu)化、高溫抗氧化和抗揮發(fā)、高溫工作穩(wěn)定性與壽命評(píng)估等問(wèn)題。研究有利于高發(fā)熱效率的加熱體形狀,進(jìn)行耐高溫及低導(dǎo)熱的保溫材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多層防輻射結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜加熱爐爐芯結(jié)構(gòu)采用多組棒狀圓形并排的支撐結(jié)構(gòu),發(fā)熱絲嵌套在圓棒溝槽內(nèi)。該結(jié)構(gòu)在多工位晶體生長(zhǎng)爐的單絲內(nèi)繞和天宮二號(hào)綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置的螺旋盤(pán)式內(nèi)繞技術(shù)要有很大改進(jìn),使得加熱能量更加集中,發(fā)熱體壽命更長(zhǎng)。

3.2 高精度機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)

隨著空間站的建立,高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置趨向于樣品實(shí)驗(yàn)批量化和自動(dòng)化。裝置內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包含批量樣品自動(dòng)化送樣和多段爐體移動(dòng)。為了使實(shí)驗(yàn)樣品周向均勻受熱,軸向準(zhǔn)確位置加熱,樣品和加熱爐的準(zhǔn)確定位和樣品的精確進(jìn)給是關(guān)鍵。因此,需要解決傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精確進(jìn)給和定位的難題,消除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)誤差。影響傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精度的主要因素有:電機(jī)的驅(qū)動(dòng)精度、位移傳動(dòng)器的測(cè)量精度、控制精度和運(yùn)動(dòng)回程差等。天宮二號(hào)空間綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置和空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜項(xiàng)目中爐體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度為0.5 mm。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的高精度設(shè)計(jì)和加工,可以進(jìn)一步提高機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度。

3.3 實(shí)驗(yàn)振動(dòng)抑制技術(shù)

高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在軌實(shí)驗(yàn)期間,有些實(shí)驗(yàn)樣品在結(jié)晶或凝固過(guò)程中有較大振動(dòng)時(shí)將嚴(yán)重影響仔晶的形成和長(zhǎng)大過(guò)程。同時(shí),某些實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,控溫加熱模塊的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng),這些振動(dòng)傳遞到樣品后會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生不利影響。所以,為了更好地進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn),需要對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行專門(mén)的減振設(shè)計(jì)。減振主要是對(duì)在高溫模塊內(nèi)部實(shí)驗(yàn)樣品的振動(dòng)隔離和減小模塊對(duì)機(jī)柜內(nèi)部以及艙內(nèi)環(huán)境的影響。具體減振部位有實(shí)驗(yàn)樣品、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)裝置和支撐結(jié)構(gòu)。主要的減振技術(shù)有實(shí)驗(yàn)樣品振動(dòng)隔離和懸浮控制、電機(jī)減振、非接觸齒輪、懸浮軸承和機(jī)構(gòu)的表面潤(rùn)滑等。

3.4 安全設(shè)計(jì)和防護(hù)技術(shù)

高溫材料實(shí)驗(yàn)裝置作為在軌高溫設(shè)備,且航天員需在軌操作換樣,安全設(shè)計(jì)和防護(hù)工作尤為重要。安全設(shè)計(jì)和防護(hù)技術(shù)主要包括結(jié)構(gòu)安全、人機(jī)操作換樣安全、加熱防護(hù)安全、艙內(nèi)加熱過(guò)程中是否有毒或有害氣體、有X 射線透視系統(tǒng)的X射線防護(hù)等。天宮二號(hào)空間綜合材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置和空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜項(xiàng)目中通過(guò)高溫爐熱防護(hù)技術(shù),使設(shè)備外殼溫度不超過(guò)45 ℃,保證了航天員在軌操作的安全。國(guó)內(nèi)外尚未有X射線透視觀察技術(shù)在飛船、衛(wèi)星等空間飛行器上的材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用,該項(xiàng)技術(shù)在空間設(shè)備中還不成熟。因此需要開(kāi)展在空間環(huán)境下進(jìn)行X射線透視觀察及有效防護(hù)的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為關(guān)系到空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)成敗和研究?jī)?nèi)容的深度和廣度的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),其作用至關(guān)重要,在后期也將長(zhǎng)期在軌應(yīng)用。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外50 多年的研究,已從最初功能簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)單一的模式,逐漸趨向于發(fā)展成為集材料制備、處理、實(shí)時(shí)觀察、測(cè)試和在線分析等功能于一體的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。由于中國(guó)在空間材料科學(xué)研究方面發(fā)展較晚,在空間高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面的研制水平與國(guó)外相比存在一定差距,因此可以從以下幾方面持續(xù)加大研究力度,為縮小中國(guó)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距和提升我國(guó)的研究水平提供可能性:

1) 裝置接口標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)模塊化、控制自動(dòng)化和產(chǎn)品小型化設(shè)計(jì)。在軌可對(duì)樣品模塊、不同加熱爐型依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行人工換樣,提高樣品進(jìn)樣、高溫加熱和在軌分析的控制自動(dòng)化,建立可長(zhǎng)期在軌進(jìn)行綜合化、集成化的空間材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2) 增加X(jué) 射線投射、CT 拍照和光學(xué)實(shí)時(shí)觀察模塊,重視空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)的物性檢測(cè)和現(xiàn)象的觀察分析,實(shí)現(xiàn)樣品的三維立體成像,方便觀察和分析。

3) 引入遙科學(xué)等先進(jìn)設(shè)計(jì)理念,可方便實(shí)現(xiàn)空間材料實(shí)驗(yàn)的地面遙現(xiàn)和遙操作等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)功能。新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)盡可能實(shí)時(shí)原位地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程操控和記錄,并且允許人工操控對(duì)實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程實(shí)時(shí)干預(yù),進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

4) 注重地面仿真和實(shí)驗(yàn)研究,形成天地對(duì)比模式。注重?cái)?shù)值模擬,最好能預(yù)先模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。