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上海硅酸盐所研制的载荷及多项关键材料成功应用于天宫二号空间实验室
2018-01-19 16:20:29 | 【 【打印】【关闭】

  9月15日22时04分,搭载着天宫二号空间实验室的长征二号F T2运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。约575秒后,天宫二号与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得圆满成功!中国科学院上海硅酸盐研究所作为综合材料实验行政副指挥和副主任设计师单位,主要负责空间实验方案的技术实现和综合材料实验装置的研制,并承担了3项材料实验任务和6个样品的装置热特性测量实验;此外,为量子密钥分配试验提供了碳化硅光学部件,承担了天宫二号空间实验室低比值无机热控涂层、耐高温隔热材料与组件、单体电池袖套和电池基板表面低辐射热控涂层、通道照明和舱内仪表等多种载荷表面高辐射热控涂层以及舷窗玻璃及涂层的研制与生产任务。 

  作为中国载人航天工程中第一个真正意义上的空间实验室,天宫二号装载全球首台空间冷原子钟、全球首次空地量子密钥分配试验、综合材料实验装置等14项空间应用载荷,是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。涉及微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究以及新技术试验等多个领域。其中,针对空间材料科学与应用研究目标,中国科学院上海硅酸盐研究所科研团队,联合中国科学院国家空间科学中心和兰州技术物理研究所共同承制成功了一套精密的空间材料科学实验有效载荷综合材料实验装置,作为天宫二号空间实验室的载荷之一进入太空开展科学实验研究。 

  工欲善其事,必先利其器。要在遥远的太空轨道上开展空间微重力材料科学研究并非易事,而综合材料实验装置正是能够满足空间材料熔体科学实验需求的利器。在极其有限的空间资源约束下,联合团队发扬航天精神,攻克了多项关键技术,解决了高效节能保温技术、机械运动组件的高可靠性、高精度温控与样品位置精密控制等一系列工程化难题,满足了国内外材料科学家提出的多种不同材料苛刻实验条件的应用需求。 

  综合材料实验装置是集机、电、热于一体的综合性智能化装备,具有体积小、质量轻、功耗低和自动化程度高等优异特点。加热器的功耗不到110瓦,却能实现真空环境下最高950的实验条件,在微重力条件下开展新材料、新工艺以及材料科学机理问题的研究。在空间微重力状态下,通过自动控制,综合材料实验装置可将实验样品依次进行高温熔化、控制凝固和降温处理。该实验装置计划进行18个样品的空间实验,分3批次进行,每批次6个。第一批次样品随材料实验炉发射升空后直接开展实验,之后由航天员进行材料实验炉的开盖换样品操作,这将是我国首次实现空间材料实验的航天员在轨操作。航天员在轨将完成2次开盖换样品的操作,之后将完成实验的样品带回地面,供科学家解剖分析研究。第三批次的6个样品将留轨进行装置热特性测量实验,数据传回地面进行分析研究。通过研究半导体光电子材料、金属合金及亚稳材料、新型功能单晶、纳米及复合材料等材料,揭示在地面重力环境下难以获知的材料物理和化学过程的规律,获得优质材料的空间制备技术和生产工艺,指导地面材料加工工艺的改进与发展。 

  

  综合材料实验装置

  在综合材料实验装置开展的材料实验中,上海硅酸盐所科研团队承担了3项关键材料的制备实验:Au/m-SiO2介孔基纳米复合材料的空间制备及材料显微结构与非线性光学响应之间关系的研究;CsI闪烁晶体材料的空间生长及微重力与晶体组分分凝关系的研究;Bi2Te3-Sb2Te3-Te基热电半导体晶体空间生长与性能研究,以及第三批次6个样品的留轨装置热特性测量实验。这些项目在地面进行了大量的工艺参数探索和优化,有望获得具有价值的原创性的空间科学研究结果。 

  此外,上海硅酸盐所科研团队提供的碳化硅光学部件作为量子密钥分配试验中的关键光学材料之一,起着重要的作用。研制的碳化硅光学部件具有良好的抗激光损伤性、高比刚度、高减重率、良好的热稳定性等优异性能,有效降低了有效载荷的重量,同时为高质量通信提供了保障。 

  承担了天宫二号空间实验室辐射器及资源舱用低比值KS-Z无机热控涂层的研制任务,涂层使用面积高达数十平米,有效实现了舱体表面的温度控制与平衡;承担了资源舱用耐高温隔热材料与组件的研制,当发动机工作温度高达1000℃时,隔热材料背面温度不超过几十度,成功实现了发动机与周围部件的热隔离,具有优异的隔热效果; 

  承担了单体电池袖套、电池基板表面低辐射热控涂层的研制任务,将涂层的辐射率降低到0.05以下,有效控制了单体电池温度变化,提高了电池效率;承担了通道照明、舱内仪表等多种载荷表面高辐射热控涂层的研制,有效地降低了天宫二号内部有效载荷的温度,为电子器件长期、高效地工作起到了关键作用; 

  承担了天宫二号空间实验室舷窗玻璃及涂层的研制生产任务。研制的舷窗玻璃及涂层是密封舱体结构的关键部件,具有优异的承压和光学性能,承受窗体在低气压环境的内外压差,同时为空间观察和成像探测提供光学通道,直接关系到航天员的生命安全和飞行任务的完成。 

  上述材料及相关载荷保证了天宫二号的成功发射与在轨实验的顺利展开。 

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